嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的研究

王惠玲

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的研究

王惠玲

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

通過(guò)分析嵌入式Linux在實(shí)時(shí)性方面的缺陷和不足，針對(duì)細(xì)化時(shí)鐘粒度、可搶占式內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、中斷軟件模擬和實(shí)時(shí)調(diào)度策略等問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法及宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)，拓展了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

嵌入式系統(tǒng)；Linux；實(shí)時(shí)性；搶占；調(diào)度策略

一、引言

Linux以其功能強(qiáng)大、源代碼開(kāi)放、支持多種硬件平臺(tái)、模塊化設(shè)計(jì)方案及豐富的開(kāi)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(tái)，Linux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。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(duì)Linux內(nèi)核作必要的改進(jìn)。本文首先分析了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)和Linux內(nèi)核在實(shí)時(shí)應(yīng)用方面的不足，然后針對(duì)影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的若干方面進(jìn)行研究，提出解決方案。

二、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)貴在實(shí)時(shí)，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成某種操作。因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性，即系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴(lài)于計(jì)算的邏輯結(jié)果的正確性，還取決于輸出結(jié)果時(shí)間的及時(shí)性。從這個(gè)角度看，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是“一個(gè)能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)外部環(huán)境做出響應(yīng)的系統(tǒng)”。按對(duì)實(shí)時(shí)性能要求的程度，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為兩類(lèi)：

1.硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：要求可確定性強(qiáng)，具有明確的實(shí)時(shí)約束，在某個(gè)限定的時(shí)刻之前不能完成任務(wù)將造成災(zāi)難性的后果。因此，在這類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)采用各種分析、模擬及形式化驗(yàn)證方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以保證在各種情況下應(yīng)用的時(shí)間需求和功能需求都能夠得到滿足。

2.軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：也對(duì)時(shí)間敏感，當(dāng)某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間要求，但偶爾發(fā)生不能滿足嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求的情況也是允許的。因此，某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間需求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行以及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響。

三、Linux 在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙

盡管Linux本身提供了一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制，但是由于其最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)為通用分時(shí)操作系統(tǒng)，并且Linux系統(tǒng)是以高的吞吐量和公平性為追求目標(biāo)，基本上沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)應(yīng)用所要滿足的時(shí)間約束，它只是提供了一些相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度策略。因此，實(shí)時(shí)性問(wèn)題是將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一大障礙，無(wú)法在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，作為一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，Linux仍然存在如下缺陷：

1.Linux的內(nèi)核是不可搶占的。Linux分為用戶態(tài)和核心態(tài)兩種模式，當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)時(shí)，可被優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程搶占，但當(dāng)它進(jìn)入核心態(tài)時(shí)，其他用戶態(tài)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)再高也不能搶占它，這將導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不確定性，顯然不能滿足硬實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

2.Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過(guò)粗糙。時(shí)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(shí)鐘直接或間接喚起的，它是進(jìn)程調(diào)度的重要依據(jù)。Linux的周期模式定時(shí)器頻率僅為100Hz，使得其時(shí)間粒度過(guò)大，加大了任務(wù)響應(yīng)延遲，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

3.Linux采用對(duì)臨界區(qū)操作時(shí)屏蔽中斷的方式，在中斷處理中是不允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的，從而抑制了系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部操作的能力。

4.缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法。

5.Linux雖然給實(shí)時(shí)進(jìn)程提供了較高的優(yōu)先級(jí)，但是沒(méi)有加入時(shí)間限制。例如：完成的最后期限、應(yīng)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成、執(zhí)行周期等等。同時(shí)，其他大量的非實(shí)時(shí)進(jìn)程也可能對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)程造成阻塞，無(wú)法確保實(shí)時(shí)進(jìn)程的響應(yīng)時(shí)間。

四、改進(jìn)內(nèi)核實(shí)時(shí)性的分析與研究

針對(duì)Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，將Linux改造成為支持實(shí)時(shí)任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，主要從細(xì)化時(shí)鐘粒度、可搶占式內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、中斷軟件模擬和實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度策略這四個(gè)方面對(duì)嵌入式Linux內(nèi)核進(jìn)行研究，并給出了相應(yīng)的提高實(shí)時(shí)性的方法。

1.細(xì)化時(shí)鐘粒度

精確的計(jì)時(shí)是實(shí)時(shí)調(diào)度器正確操作所必須的，調(diào)度器通常要求在一個(gè)特定的時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換，計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤將導(dǎo)致背離計(jì)劃的調(diào)度，引起任務(wù)釋放抖動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過(guò)粗糙，時(shí)鐘中斷周期為10ms，不能滿足特定嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)于響應(yīng)時(shí)間精度的要求。因此，在實(shí)時(shí)Linux應(yīng)用中，需要細(xì)化其時(shí)鐘粒度，具體有兩種方式可以解決時(shí)鐘粒度問(wèn)題：

（1）通過(guò)直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)Hz的初值來(lái)細(xì)化時(shí)鐘粒度，如將標(biāo)準(zhǔn)Linux中內(nèi)核定時(shí)參數(shù)Hz改為10000，則時(shí)鐘粒度可以達(dá)到100μs，這種方式雖然會(huì)增加一些系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，但在強(qiáng)周期性環(huán)境下，對(duì)定時(shí)器的設(shè)置只需初始化一次，在一定程度上保證了處理效率。

（2）通過(guò)對(duì)可編程中斷定時(shí)器8254或先進(jìn)的可編程中斷控制器進(jìn)行編程來(lái)改進(jìn)Linux時(shí)鐘機(jī)制，以提高其時(shí)鐘的分辨率，使毫秒級(jí)的粗粒度定時(shí)器變成微秒級(jí)的細(xì)粒度定時(shí)器。

2.增強(qiáng)Linux可搶占性內(nèi)核機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核是不可搶占的，導(dǎo)致較大的延遲，增強(qiáng)內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力。為了解決Linux實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)的最大障礙，使Linux內(nèi)核成為完全可被搶占實(shí)時(shí)內(nèi)核，典型的實(shí)現(xiàn)方案是雙核結(jié)構(gòu)。使用實(shí)時(shí)核來(lái)運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)，Linux內(nèi)核來(lái)運(yùn)行非實(shí)時(shí)任務(wù)。如圖1所示。

圖1 雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

對(duì)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(shí)時(shí)性的地方增加控制點(diǎn)，使內(nèi)核在控制點(diǎn)可以被搶占，減少內(nèi)核搶占延遲。

（2）將執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)劃分為幾個(gè)甚至是十幾個(gè)較小的塊分別執(zhí)行，使實(shí)時(shí)任務(wù)隨時(shí)中斷非實(shí)時(shí)任務(wù)。

（3）根據(jù)實(shí)際需要，增加部分功能。

3.中斷軟件模擬

響應(yīng)時(shí)間的分析及解決方法：任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間被定義為一個(gè)事件的發(fā)生和任務(wù)響應(yīng)這一事件開(kāi)始執(zhí)行之間的間隔時(shí)間，通常有以下幾個(gè)因素影響任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。

（1）中斷分配時(shí)間IDT（interruptdispatchtime）：當(dāng)一個(gè)中斷產(chǎn)生時(shí)，在調(diào)用中斷處理程序占用CPU以前，操作系統(tǒng)用來(lái)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(shí)間。

（2）中斷服務(wù)時(shí)間IST（interruptservicetime）：中斷服務(wù)程序用來(lái)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(shí)間。

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

（4）調(diào)度延遲SD（scheduledelay）：調(diào)度程序用來(lái)調(diào)度另一個(gè)線程投入運(yùn)行的時(shí)間。

（5）進(jìn)程切換時(shí)間CST（contestswitchingtime）：當(dāng)前線程用來(lái)保存寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)間與將要運(yùn)行的線程恢復(fù)寄存器中的內(nèi)容和系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)間總和。

（6）系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)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(shí)間。

其中，SD、CST和RST總是固定不變的，如果Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑?，IDT、IST和KPT可以有效的減少。在實(shí)時(shí)應(yīng)用的環(huán)境中，若干個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的情況是完全可能存在的。這時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間最多將包含N（IDT+IST），N為中斷數(shù)。

中斷軟件模擬被用來(lái)解決多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的情形。當(dāng)一個(gè)硬件中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單的在時(shí)間表中報(bào)告這一時(shí)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(guò)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)核之前截獲了所有硬中斷信號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)任務(wù)的需要，由軟中斷模擬機(jī)制處理或掛起該中斷。

采用這個(gè)方法，可以減少當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，最長(zhǎng)的延遲時(shí)間為N*IST’。

4.改善Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度策略

常用的實(shí)時(shí)調(diào)度算法有：

（1）基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度算法調(diào)度器以優(yōu)先級(jí)作為尋求下一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的依據(jù)。可分為兩種類(lèi)型：

① 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：該算法給系統(tǒng)中所有進(jìn)程都靜態(tài)的分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的分配可以根據(jù)應(yīng)用的屬性來(lái)進(jìn)行。

② 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：該算法根據(jù)任務(wù)的資源需求來(lái)動(dòng)態(tài)的分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。EDF算法是一種典型的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，該算法根據(jù)就緒隊(duì)列中各個(gè)任務(wù)的截止期限來(lái)分配優(yōu)先級(jí)，具有最近截止期限的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最高。

（2）基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的調(diào)度算法。該算法本質(zhì)上是一種設(shè)計(jì)時(shí)就確定下來(lái)的離線的靜態(tài)調(diào)度方法。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，在明確系統(tǒng)中所有處理的情況下，對(duì)于各個(gè)任務(wù)的開(kāi)始、切換以及結(jié)束時(shí)間等事先組出明確的安排和設(shè)計(jì)。

（3）基于比例共享的調(diào)度算法。這是一種越來(lái)越受到關(guān)注的實(shí)時(shí)調(diào)度模式，基于GPS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(duì)一組需要調(diào)度的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使其執(zhí)行時(shí)間與權(quán)重完全成正比?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：

① 調(diào)節(jié)各個(gè)就緒進(jìn)程出現(xiàn)在當(dāng)前調(diào)度隊(duì)列隊(duì)首的頻率，并調(diào)度隊(duì)首的進(jìn)程執(zhí)行。

② 逐次調(diào)度就緒隊(duì)列中的各個(gè)進(jìn)程投入運(yùn)行，但根據(jù)分配的權(quán)重調(diào)節(jié)分配給每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間片。

針對(duì)每一種調(diào)度策略都有自己的優(yōu)越性和不足。通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)造多屬性和多調(diào)度器的選擇機(jī)制，使三種實(shí)時(shí)調(diào)度策略的應(yīng)用都得到支持，相對(duì)于只對(duì)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，提出了一種宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)。如圖2。

圖2 宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)

其中給每一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)定義了4個(gè)調(diào)度屬性：priority（優(yōu)先級(jí)：限制該任務(wù)比相關(guān)聯(lián)的其他任務(wù)的優(yōu)先權(quán)）、start time（起始時(shí)間：任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行時(shí)間）、finish time（截止時(shí)間：任務(wù)停止時(shí)間）和budget（預(yù)設(shè)值：任務(wù)允許執(zhí)行時(shí)間），不同屬性的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的調(diào)度策略。宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)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(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)分配多個(gè)屬性值，并通過(guò)其中的一兩個(gè)屬性值決定哪個(gè)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(jí)別選擇不同的調(diào)度器。

五、結(jié)束語(yǔ)

嵌入式技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，滲透于社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域，把Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，將其自身固有的優(yōu)越性融入嵌入式技術(shù)，是嵌入式技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。然而，由于Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)障礙，要將其應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域還必須修改Linux 內(nèi)核中的各個(gè)模塊以達(dá)到滿足嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。Linux實(shí)時(shí)性能的逐步完善、應(yīng)用的需要也會(huì)進(jìn)一步督促我們應(yīng)該及時(shí)跟蹤國(guó)內(nèi)外Linux發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)積累此領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，走出自己的路。

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A

1008-7427（2011）05-0157-02

2011-03-26

作者系蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息管理系講師。