淺析嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用中的問題與優(yōu)化

袁世軍（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

淺析嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用中的問題與優(yōu)化

袁世軍（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著我國計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐漸被人們認(rèn)可，越來越多地應(yīng)用到我們的日常生活中，而嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)研究出來的結(jié)果，但由于其開發(fā)成本高，價(jià)格昂貴，而且核心技術(shù)沒有公開，我國要想應(yīng)用只有借用別人的技術(shù)，在實(shí)時(shí)應(yīng)用中非常不劃算，而Linux操作系統(tǒng)的出現(xiàn)使得這一局面大為改觀，到目前為止Linux操作系統(tǒng)已然成為嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)的最佳選擇之一。本文通過對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行概況分析，主要探討嵌入式Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的問題及其優(yōu)化方法。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)；實(shí)時(shí)應(yīng)用；問題；優(yōu)化

由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)具有開源，免費(fèi)以及支持多種架構(gòu)等特點(diǎn)，使其在嵌入式操作系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用，它是后PC時(shí)代來臨時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)與Internet的有效融合，但是嵌入式Linux操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初并沒有對(duì)其實(shí)時(shí)性方面進(jìn)行仔細(xì)研究，尤其是內(nèi)核中沒有設(shè)計(jì)允許搶占的要求，隨著現(xiàn)今嵌入式Linux操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越來越高，導(dǎo)致其在具體應(yīng)用過程中受到諸多限制，出現(xiàn)了許多問題，對(duì)此需要對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，這也是本文分析探討的重點(diǎn)。

1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的概況

嵌入式Linux操作系統(tǒng)最初是由一個(gè)叫Linus的芬蘭大學(xué)生完成的一份作業(yè)，其內(nèi)容是關(guān)于Unix課程的，主要是設(shè)計(jì)出一個(gè)包含兩個(gè)向屏幕寫字母的進(jìn)程，而進(jìn)程之間的切換則通過定時(shí)器來完成，就是這么一個(gè)小程序發(fā)展到如今正在逐步完善，是許多編程愛好者共同努力的結(jié)果，到目前為止，Linux已經(jīng)變成了一個(gè)應(yīng)用最廣，真正優(yōu)秀并且值得信賴的嵌入式操作系統(tǒng)[1]。

①嵌入式Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)成本低，目前大多數(shù)的商業(yè)操作系統(tǒng)都價(jià)格昂貴，而Linux操作系統(tǒng)卻是完全免費(fèi)，而且其性能非常優(yōu)秀，源代碼也完全公開，這讓許多領(lǐng)域的不同用戶都可以按照自己的需求改造內(nèi)核，從而設(shè)計(jì)出自己滿意的嵌入式操作系統(tǒng)；②Linux操作系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性，這主要是由于其內(nèi)核具備高度穩(wěn)定性，既使移植到特定平臺(tái)上其穩(wěn)定性依然如故，而且移植過程相對(duì)也較為容易簡便，可以運(yùn)用在多種處理器上；③Linux操作系統(tǒng)具備強(qiáng)大的網(wǎng)強(qiáng)功能，現(xiàn)在通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口基本都已經(jīng)訂制在Linux中，而且Linux的內(nèi)核處理器在處理這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)更有效率，而且其吞吐量也更高；④Linux操作系統(tǒng)具備完整的開發(fā)工具鏈，其提供的開發(fā)工具無論從編輯器到底層調(diào)試，適用于多種體系結(jié)構(gòu)的平臺(tái)。

2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的問題

如上文所述，嵌入式Linux操作系統(tǒng)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有很高的處理效率，也就是說其具備很高的吞吐量，標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)正是以這個(gè)作為主要的研究目標(biāo)，而沒有考慮其實(shí)時(shí)應(yīng)用過程中所要遇到的問題，比如需滿足時(shí)間的約束要求等，其具體不足之處分析如下：

（1）Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的，它是以用戶態(tài)和核心態(tài)兩種模式進(jìn)行運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行到用戶態(tài)時(shí)，就會(huì)被優(yōu)先級(jí)別更高的進(jìn)程所搶占，而當(dāng)運(yùn)行到核心態(tài)時(shí)，卻不能被用戶態(tài)所搶占；

（2）在Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，在突然發(fā)生某些事件時(shí)，極有可能會(huì)阻塞到實(shí)時(shí)進(jìn)程的正常運(yùn)行，也就不能確定出實(shí)時(shí)進(jìn)程的確切響應(yīng)時(shí)間；

（3）Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用過程若是發(fā)生頻繁短時(shí)間的中斷現(xiàn)象，極有可能會(huì)導(dǎo)致中斷延遲出現(xiàn)不可控制的局面；

（4）在實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象可能會(huì)使高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程被低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程所阻塞，導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)不能正常反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)Linux操作系統(tǒng)與通用的嵌入式操作系統(tǒng)相比還缺少相應(yīng)細(xì)粒度與多種模式運(yùn)行下的定時(shí)器，導(dǎo)致進(jìn)程之間不能正常切換[2]。

3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的優(yōu)化方法

通過上文的探討分析，可以看出嵌入式Linux操作系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)還存在許多問題，對(duì)此需要增強(qiáng)Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用性，其具體優(yōu)化方法如下所示：

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核搶占

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的搶占主要是通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux的內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的修改，使得高優(yōu)先級(jí)能夠搶占低優(yōu)先級(jí)程，在具體實(shí)踐中有以下兩種內(nèi)核補(bǔ)丁方法：首先就是利用低內(nèi)核的延遲方案，也就是修改Linux的單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，有效縮短非搶斷代碼的長度，使內(nèi)核的實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)；其次就是利用內(nèi)核可搶斷方案，其內(nèi)核可搶斷補(bǔ)丁主要由Rober Love提出以及進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，此方案不僅使內(nèi)核中的單執(zhí)1行流的限制得到解除，而且根據(jù)自旋鎖宏定義和互斥鎖保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，使得內(nèi)核將擁有完整的可搶斷性[3]；另外將這兩種內(nèi)核補(bǔ)丁方法放在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)后的系統(tǒng)性能更加優(yōu)秀，這充分表明這兩種內(nèi)核補(bǔ)丁修改方案完全適用于Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核搶占修改，可使得Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)丁也可以修改Linux的內(nèi)核，以便提高其實(shí)時(shí)性能，具體方法如下：①實(shí)時(shí)微內(nèi)核，這種方法是將一個(gè)內(nèi)核作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核與硬件層之間的接口層，在緊湊代碼模塊的同時(shí)，還把標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核當(dāng)作后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行，而且微內(nèi)核可截取硬件中斷，保證標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核不會(huì)搶占微內(nèi)核正在處理的中斷，另外微內(nèi)核還可以調(diào)度優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)以避免任務(wù)的延遲時(shí)間太長，這種雙內(nèi)核機(jī)制可以最大程度地縮短實(shí)時(shí)任務(wù)的中斷時(shí)間，以獲得硬時(shí)實(shí)支持；②POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展，這種方法是直接將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核進(jìn)行修改，以此提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展的庫，通過這個(gè)庫可以產(chǎn)生一個(gè)符合IEEE1003.1d標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，這種修改方法沒有增加另外的內(nèi)核，其補(bǔ)丁程序是直接針對(duì)內(nèi)核的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)器，信號(hào)，信號(hào)量以及進(jìn)程鎖的內(nèi)存機(jī)制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享，優(yōu)先級(jí)調(diào)度以及同步或異步I/O等；③納內(nèi)核方法，這種方法的顯著特征就是可以讓許多操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行在納內(nèi)核上，只要其中一個(gè)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)即可；④資源內(nèi)核擴(kuò)展，這種方法同實(shí)時(shí)微內(nèi)核方法一樣，都是緊湊代碼模塊，為普通內(nèi)核以及用戶進(jìn)程提供相對(duì)應(yīng)的資源模塊，讓用戶進(jìn)程在運(yùn)行過程中可以以請求或保留的方式存在，同時(shí)還要保證能夠獲得相應(yīng)的機(jī)器資源[3]。

3.2 任務(wù)響應(yīng)時(shí)間分析

嵌入式Linux操作系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于某些突發(fā)事件而無法確定出任務(wù)響應(yīng)的時(shí)間，而通常情況下影響任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的因素主要包括分派時(shí)間中斷，服務(wù)時(shí)間中斷，調(diào)度延遲，上下文切換時(shí)間以及系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)間等，在這其中服務(wù)時(shí)間中斷的減少是一個(gè)非常重要的問題，不能通過禁止其他特定中斷而進(jìn)行中斷處斷，這種方法雖然可以有效減少中斷服務(wù)的時(shí)間，但若是出現(xiàn)無數(shù)個(gè)中斷的情況，關(guān)中斷就會(huì)造成丟中斷，這種代價(jià)無疑是巨大的。對(duì)此需要在Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核和硬件中斷控制器的中設(shè)置一個(gè)中斷模擬軟件層，就可以很好的解決中斷丟失的問題，比如當(dāng)發(fā)生中斷情況時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)中斷變量進(jìn)行記錄，然后立即返回給CPU處理器，在這個(gè)過程中只保存了中斷模擬程序中的寄存器，而有效拖延了中斷服務(wù)程序的過程，從而保證了中斷任務(wù)運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)時(shí)間[4]。

3.3 定時(shí)器粒度分析

定時(shí)器的粒度具體指的是Linux操作系統(tǒng)所提供的最小間隔時(shí)間，在Linux操作系統(tǒng)中定時(shí)器每兩次中斷之間的時(shí)間就是其粒度，這也是影響Linux操作系統(tǒng)響應(yīng)速度的一個(gè)主要因素，通常情況下標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的定時(shí)器粒度大約為10ms，這個(gè)粒度不能滿足Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度需求，就需用將其粒度進(jìn)行細(xì)化，具體方式有兩種：①可以將操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片放置在單次觸發(fā)模式下，通過多處微秒級(jí)的細(xì)小粒度來起到細(xì)化其粒度的作用；②將Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核中的Hz宏的定義進(jìn)行修改，這種細(xì)化粒度的方式雖然在某種程度上會(huì)增加系統(tǒng)開銷，但只需要對(duì)定時(shí)器在初始時(shí)進(jìn)行一次設(shè)置就可以長期保持，這樣可以有效提升系統(tǒng)定時(shí)器的處理效率。

3.4 優(yōu)先級(jí)反向問題

嵌入式Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)，通過一種二元信號(hào)量的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)資源共享，從而進(jìn)行有效管理。當(dāng)臨界資源任務(wù)在進(jìn)入到臨界區(qū)之前必須擁有相應(yīng)的信號(hào)量，否則其沒有執(zhí)行臨界代碼的權(quán)限，而且由于一些關(guān)健數(shù)據(jù)區(qū)的信號(hào)量得到了保護(hù)，一些高優(yōu)先極的程序進(jìn)程在等待信號(hào)量的過程中出現(xiàn)了阻塞，從而導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程處于運(yùn)行態(tài)的狀況發(fā)生，這就是優(yōu)先級(jí)反向問題，這種問題在系統(tǒng)運(yùn)行中難以預(yù)測，甚至還會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)出崩潰的局面，對(duì)于這種優(yōu)先級(jí)反向問題主要有兩種解決方法：第一種就是基本優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議，也就是將低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)提高到高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)別，另一種就是優(yōu)先級(jí)上限繼承協(xié)議，也就是事先設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)上限，當(dāng)進(jìn)程在獲取資源共享的使用權(quán)時(shí)，就可以將該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)別提高到上限，而當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程在釋放資源時(shí)就立刻恢復(fù)優(yōu)先級(jí)原有的級(jí)別[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行概況分析，主要探討嵌入式Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的問題及其優(yōu)化方法，其實(shí)時(shí)應(yīng)用的問題及其優(yōu)法方法主要表面在四個(gè)方面，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)核改進(jìn)，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的減少，定時(shí)器粒度的細(xì)化以及優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的級(jí)別提升與恢復(fù)等，希望本文的分析探討讓嵌入式Linux操作系統(tǒng)更好地應(yīng)用在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，在走入我們生活與工作的同時(shí)可以帶給我們更大加完善的操作體驗(yàn)。

[1]馬季蘭，劉 勇.嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，08：80～83+91.

[2]陳文星，張輝宜.嵌入式Linux操作系統(tǒng)的特性[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，03：20～21+25.

[3]肖振華，徐玉斌，解 輝，呂亞男.基于嵌入式Linux2.6的實(shí)時(shí)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，11：83～86.

[4]王宇英.嵌入式Linux實(shí)時(shí)化及其應(yīng)用[D].西北工業(yè)大學(xué)，2003.

[5]李智鵬.嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)問題研究[D].湖南大學(xué)，2004.

TP316.81

A

2095-2066（2016）32-0240-02

2016-11-2

袁世軍（1978-），男，四川隆昌人，工程師，本科，從事技術(shù)工作。