嵌入式Linux操作系統(tǒng)實時性的研究

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)實時性的研究

王惠玲

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

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

嵌入式系統(tǒng)；Linux；實時性；搶占；調(diào)度策略

一、引言

Linux以其功能強大、源代碼開放、支持多種硬件平臺、模塊化設(shè)計方案及豐富的開發(fā)工具支持等特點廣泛應(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，Linux具有較好的實時性、系統(tǒng)可靠性、任務(wù)處理隨機性。但由于其在實時應(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(jìn)行研究，提出解決方案。

二、實時系統(tǒng)的分類

實時操作系統(tǒng)貴在實時，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成某種操作。因此實時系統(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。因此，在這類系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，應(yīng)采用各種分析、模擬及形式化驗證方法對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗，以保證在各種情況下應(yīng)用的時間需求和功能需求都能夠得到滿足。

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

三、Linux 在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙

盡管Linux本身提供了一些支持實時性的機制，但是由于其最初的設(shè)計目標(biāo)為通用分時操作系統(tǒng)，并且Linux系統(tǒng)是以高的吞吐量和公平性為追求目標(biāo)，基本上沒有考慮實時應(yīng)用所要滿足的時間約束，它只是提供了一些相對簡單的任務(wù)調(diào)度策略。因此，實時性問題是將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一大障礙，無法在硬實時系統(tǒng)中得到應(yīng)用，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)程運行在用戶態(tài)時，可被優(yōu)先級更高的進(jìn)程搶占，但當(dāng)它進(jìn)入核心態(tài)時，其他用戶態(tài)進(jìn)程優(yōu)先級再高也不能搶占它，這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，實時任務(wù)執(zhí)行時間的不確定性，顯然不能滿足硬實時應(yīng)用的要求。

2.Linux系統(tǒng)時鐘精度太過粗糙。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，它是進(jìn)程調(diào)度的重要依據(jù)。Linux的周期模式定時器頻率僅為100Hz，使得其時間粒度過大，加大了任務(wù)響應(yīng)延遲，遠(yuǎn)不能滿足實時應(yīng)用的要求。

3.Linux采用對臨界區(qū)操作時屏蔽中斷的方式，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)及時響應(yīng)外部操作的能力。

4.缺乏有效的實時任務(wù)調(diào)度機制和調(diào)度算法。

5.Linux雖然給實時進(jìn)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(jìn)程也可能對實時進(jìn)程造成阻塞，無法確保實時進(jìn)程的響應(yīng)時間。

四、改進(jìn)內(nèi)核實時性的分析與研究

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

1.細(xì)化時鐘粒度

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

（1）通過直接修改內(nèi)核定時參數(shù)Hz的初值來細(xì)化時鐘粒度，如將標(biāo)準(zhǔn)Linux中內(nèi)核定時參數(shù)Hz改為10000，則時鐘粒度可以達(dá)到100μs，這種方式雖然會增加一些系統(tǒng)開銷，但在強周期性環(huán)境下，對定時器的設(shè)置只需初始化一次，在一定程度上保證了處理效率。

（2）通過對可編程中斷定時器8254或先進(jìn)的可編程中斷控制器進(jìn)行編程來改進(jìn)Linux時鐘機制，以提高其時鐘的分辨率，使毫秒級的粗粒度定時器變成微秒級的細(xì)粒度定時器。

2.增強Linux可搶占性內(nèi)核機制

標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核是不可搶占的，導(dǎo)致較大的延遲，增強內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)內(nèi)核對實時任務(wù)的響應(yīng)能力。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)。如圖1所示。

圖1 雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

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。

3.中斷軟件模擬

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(dāng)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(dāng)前進(jìn)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(jìn)程切換時間CST（contestswitchingtime）：當(dāng)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。

其中，SD、CST和RST總是固定不變的，如果Linux內(nèi)核設(shè)計得當(dāng)?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(dāng)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，并根據(jù)當(dāng)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。

采用這個方法，可以減少當(dāng)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’。

4.改善Linux內(nèi)核實時任務(wù)的調(diào)度策略

常用的實時調(diào)度算法有：

（1）基于優(yōu)先級的調(diào)度算法。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)。可分為兩種類型：

① 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：該算法給系統(tǒng)中所有進(jìn)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(jìn)行。

② 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：該算法根據(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務(wù)的優(yōu)先級最高。

（2）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。

（3）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(jìn)行調(diào)度，使其執(zhí)行時間與權(quán)重完全成正比。可以通過兩種方法實現(xiàn)：

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

② 逐次調(diào)度就緒隊列中的各個進(jìn)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(jìn)程的運行時間片。

針對每一種調(diào)度策略都有自己的優(yōu)越性和不足。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，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)）、start time（起始時間：任務(wù)開始執(zhí)行時間）、finish time（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。

五、結(jié)束語

嵌入式技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，滲透于社會生活的諸多領(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)展的一個重要方向。然而，由于Linux在實時應(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)核中的各個模塊以達(dá)到滿足嵌入式實時應(yīng)用的需求。Linux實時性能的逐步完善、應(yīng)用的需要也會進(jìn)一步督促我們應(yīng)該及時跟蹤國內(nèi)外Linux發(fā)展動態(tài)，同時積累此領(lǐng)域的開發(fā)經(jīng)驗，走出自己的路。

[1] 駱耀祖.Linux操作系統(tǒng)分析教程[M].清華大學(xué)出版社，2004.

[2] 董曉峰，顧新.關(guān)于Linux內(nèi)核可搶占性的研究[J].計算機工程，2005.

[3] 趙慧斌，李小群，孫玉芳.改善Linux核心可搶占性方法的研究與實現(xiàn)[J].計算機學(xué)報，2004，2.

[4] 李凡，盧杜階，邱鵬.在嵌入式應(yīng)用中增強Linux實時性的方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2005，2.

[5] Robert love.Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)[M].機械工業(yè)出版社，2003.

TP30

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。