時(shí)間：2015-06-28 00:00:00 來(lái)源：IT貓撲網(wǎng) 作者：網(wǎng)管聯(lián)盟 我要評(píng)論(0)
1 引言
嵌入式Linux（Embedded Linux）是指對(duì)桌面型 Linux經(jīng)過(guò)小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K 字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合、為嵌入式應(yīng)用程序提供操作系統(tǒng)服務(wù)的專用Linux 操作系統(tǒng)。
"實(shí)時(shí)性"是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在確定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能，并能夠?qū)ν獠康漠惒绞录龀稣_響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性又可分為軟實(shí)時(shí)（Soft Real-time）和硬實(shí)時(shí)（Hard Real-time）兩種。軟實(shí)時(shí)是指統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)，一般整體吞吐量大或整體響應(yīng)速度快，但不能保證特定的任務(wù)在指定的時(shí)間內(nèi)完成。硬實(shí)時(shí)則是指時(shí)間要求必須被嚴(yán)格保證的實(shí)時(shí)，對(duì)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)限的要求非常嚴(yán)格，無(wú)論在什么情況下，任務(wù)的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)必須得到絕對(duì)保證，否則將產(chǎn)生災(zāi)難性后果。這才是真正意義上的實(shí)時(shí) [1]。Linux有很好的"平均"性能，具有一定的軟實(shí)時(shí)性，但不是硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，因此要使Linux成為真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須對(duì)其作一些相關(guān)的改造。
2 標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核制約實(shí)時(shí)性的因素[2]
實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要考慮任務(wù)的按時(shí)完成、盡量減少進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的不可預(yù)測(cè)性等，而Linux 一開(kāi)始并不是針對(duì)要求實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)的嵌入式領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的，因此其實(shí)時(shí)性比較弱。過(guò)長(zhǎng)的中斷禁止時(shí)間、非搶占式的內(nèi)核以及耗盡式的、機(jī)會(huì)均等的進(jìn)程調(diào)度策略是Linux 實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的幾個(gè)主要原因。
2.1 不確定的任務(wù)切換時(shí)間
確定的任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)區(qū)別于普通操作系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志，是衡量實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的重要標(biāo)準(zhǔn)。
任務(wù)切換時(shí)間包括保存目前任務(wù)的時(shí)間，新任務(wù)調(diào)入系統(tǒng)的時(shí)間和操作系統(tǒng)選擇下一個(gè)任務(wù)的調(diào)度時(shí)間，其中任務(wù)調(diào)度時(shí)間是決定任務(wù)切換時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素。而影響這一時(shí)間的因素主要是任務(wù)調(diào)度策略和被調(diào)度的任務(wù)數(shù)。調(diào)度策略越簡(jiǎn)單，被調(diào)度的任務(wù)總數(shù)越少，調(diào)度時(shí)間就越短。對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)性能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)而言，系統(tǒng)必須規(guī)定不同進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，把不同類型的進(jìn)程分成不同的隊(duì)列，并把優(yōu)先級(jí)作為唯一的進(jìn)程調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，盡量縮短任務(wù)調(diào)度時(shí)間。
Linux 在內(nèi)核1.3 版本之后加進(jìn)了POSIX 實(shí)時(shí)擴(kuò)展部分，引進(jìn)了實(shí)時(shí)進(jìn)程概念，允許將一個(gè)進(jìn)程的屬性確定為實(shí)時(shí)進(jìn)程。Linux 從調(diào)度策略上區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，實(shí)時(shí)進(jìn)程先于普通進(jìn)程運(yùn)行，并采用不同的調(diào)度策略。對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)程，Linux 采用兩種調(diào)度策略，即先來(lái)先服務(wù)調(diào)度（SCHED_FIFO）和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度（SCHED_RR）。SCHED_RR 任務(wù)最先被調(diào)度并擁有時(shí)間片，一旦時(shí)間片用完就被移動(dòng)到優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的隊(duì)尾，并允許同一優(yōu)先級(jí)的其他任務(wù)運(yùn)行。如果同一優(yōu)先級(jí)沒(méi)有其他任務(wù)，該任務(wù)將繼續(xù)運(yùn)行下一個(gè)時(shí)間片。SCHED_FIFO 是運(yùn)行直至阻塞的策略。其任務(wù)按優(yōu)先級(jí)調(diào)度，一旦開(kāi)始就一直運(yùn)行到結(jié)束或者阻塞在某種資源上。它們不像SCHED_RR 任務(wù)那樣共享處理器。
2.2 中斷延遲時(shí)間
上面我們提到，中斷延遲時(shí)間也是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)區(qū)別于普通操作系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志。
中斷延遲時(shí)間是指系統(tǒng)確認(rèn)中斷開(kāi)始直到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令為止整個(gè)處理過(guò)程所需要的時(shí)間。操作系統(tǒng)的中斷延遲時(shí)間由下列三個(gè)因素決定：
?。?）處理器硬件電路的延遲時(shí)間，通常這個(gè)時(shí)間可以忽略。
?。?）操作系統(tǒng)處理中斷并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給相關(guān)處理程序所需要的時(shí)間。
?。?）操作系統(tǒng)的中斷禁止時(shí)間。
測(cè)試表明，產(chǎn)生中斷延遲的原因除了處理器響應(yīng)時(shí)間外，更重要的是操作系統(tǒng)的一些操作會(huì)大大增加中斷被延遲的時(shí)間。在操作系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，存在著一些關(guān)鍵的操作。這些操作在執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)禁止在其間插入任何中斷。例如：ISR在執(zhí)行時(shí)候，外部中斷是被禁止的。因此如果一個(gè)中斷請(qǐng)求在操作系統(tǒng)禁止中斷的這段時(shí)間里產(chǎn)生，那么對(duì)它的處理就會(huì)始終保持在掛起狀態(tài)，直到操作系統(tǒng)重新允許中斷插入。會(huì)有這樣的一種情況出現(xiàn)，即使Linux本身的中斷響應(yīng)時(shí)間非常短，如果在一個(gè)ISR執(zhí)行期間某個(gè)外設(shè)也產(chǎn)生了一個(gè)中斷信號(hào)，因?yàn)檎趫?zhí)行的ISR運(yùn)行時(shí)間的不確定性和不可搶占性，也會(huì)產(chǎn)生Linux的中斷延時(shí)的不可預(yù)測(cè)性。
2.3 共享資源的互斥訪問(wèn)
Linux操作系統(tǒng)一般采用信號(hào)量機(jī)制來(lái)解決共享資源的互斥訪問(wèn)問(wèn)題。如果任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的方式，則傳統(tǒng)的信號(hào)量機(jī)制在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)很容易造成優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題，即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過(guò)信號(hào)量機(jī)制訪問(wèn)共享資源時(shí)，該信號(hào)量已被一低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)在訪問(wèn)共享資源時(shí)可能又被其它一些中等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。
3 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)化方案[3] [5] [6]3.1 實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度
為實(shí)現(xiàn)Linux 的實(shí)時(shí)性，可以將內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度遵循POSIX 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改寫(xiě)，在Linux 內(nèi)核限定的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)源代碼的修改，盡可能地?cái)U(kuò)充其實(shí)時(shí)性，使Linux 變成一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
這需要精心選擇改動(dòng)部分，一般要完全重新編寫(xiě)一個(gè)由優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)調(diào)度器，替換原有內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度器。對(duì)于不同的進(jìn)程，采用不同的調(diào)度策略，例如對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)搶占式的調(diào)度。我們可以找出Linux 所有系統(tǒng)調(diào)用中的關(guān)鍵代碼段，在執(zhí)行關(guān)鍵代碼段時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位來(lái)決定是否允許進(jìn)行任務(wù)切換，并且可以在內(nèi)核函數(shù)中增加搶占點(diǎn)的個(gè)數(shù)，在保證其操作互斥性的同時(shí)，增強(qiáng)內(nèi)核的可搶占性，實(shí)現(xiàn)一種可搶占的內(nèi)核。對(duì)于采用搶占式核心程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，可以采用優(yōu)先級(jí)繼承或優(yōu)先級(jí)天花板的方式來(lái)解決。這種方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)執(zhí)行效率高，可以獲得更好的性能。但是，它要求開(kāi)發(fā)人員精通Linux 內(nèi)核，并且開(kāi)發(fā)難度大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。
3.2 時(shí)鐘粒度的細(xì)化
通過(guò)將周期性的時(shí)鐘中斷改為非周期性的時(shí)鐘中斷這種簡(jiǎn)單而且代價(jià)較小的方式，從而達(dá)到細(xì)化時(shí)鐘粒度的目標(biāo)。提供與標(biāo)準(zhǔn)Linux核心時(shí)鐘并行運(yùn)行的一個(gè)具有精密刻度的實(shí)時(shí)核心時(shí)鐘處理系統(tǒng)，與原Linux 核心時(shí)鐘區(qū)別開(kāi)來(lái)。不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，而且獨(dú)立的實(shí)時(shí)核心時(shí)鐘易于維護(hù)改進(jìn)。所有實(shí)時(shí)定時(shí)器都是由堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織和管理的。在時(shí)鐘中斷的處理函數(shù)do_timer_interupt()（arch/386/kernel/Time.c）中，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)處理實(shí)時(shí)定時(shí)器隊(duì)列。具體過(guò)程為判斷堆頂定時(shí)器是否到期，如果到期，則調(diào)用其服務(wù)函數(shù)。
3.3 中斷的實(shí)時(shí)性改進(jìn)[4]
軟中斷運(yùn)行的時(shí)機(jī)之一就是在中斷服務(wù)的末尾。Linux中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行軟中斷處理的代碼如下[4] ：
asmlinkage unsigned int do_IRQ（struct pt_regs regs）
{
……
if （softirq_active（cpu） &softirq_mask（cpu））
do_softirq()；
return 1；
}
其中do_IRQ()是Linux中斷服務(wù)函數(shù)，此函數(shù)針對(duì)特定的中斷運(yùn)行相應(yīng)的上半部分。函數(shù)do_softirq()是軟中斷處理函數(shù)。在do_IRQ()處理完上半部分時(shí)，如果有等待的軟中斷需要處理，那么就會(huì)調(diào)用do_softirq()，處理待運(yùn)行的軟中斷。如果中斷上半部分需要下半部分被處理，那么下半部分也會(huì)在do_softirq()中被運(yùn)行。我們知道，Linux之所以將中斷分為兩個(gè)部分，就是為了將不著急的事務(wù)推遲處理從而減少中斷服務(wù)時(shí)間?，F(xiàn)在，如果do_IRQ()中軟中斷的處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么do_IRQ()的處理時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)，從而增加了中斷服務(wù)時(shí)間。為了進(jìn)一步減少中斷服務(wù)時(shí)間，我們可以考慮在中斷處理函數(shù)中對(duì)中斷進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。對(duì)于不頻繁的外部中斷，如鍵盤、時(shí)鐘等，保留軟中斷處理。而當(dāng)系統(tǒng)需要處理某些頻率較高的外部中斷時(shí)，我們可以考慮繞過(guò)軟中斷的處理，只處理上半部分。由于軟中斷本身不是急需處理的，并且還可以在進(jìn)程調(diào)度之前和系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時(shí)運(yùn)行，因此，這里將它去掉對(duì)系統(tǒng)性能的影響不大。
4 結(jié)論
由于Linux本身基于通用目的操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其實(shí)時(shí)性能并不是很強(qiáng)。但通過(guò)一定的改進(jìn)增強(qiáng)其實(shí)時(shí)性能，就可以用于實(shí)時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合。本文在分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，并就實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度、中斷、時(shí)鐘三個(gè)方面提出了一些改進(jìn)的方法，以進(jìn)一步提高Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
關(guān)鍵詞標(biāo)簽：Linux
相關(guān)閱讀
熱門文章
安裝紅帽子RedHat Linux9.0操作系統(tǒng)教程
Tomcat9.0如何安裝_Tomcat9.0環(huán)境變量配置方法
多種操作系統(tǒng)NTP客戶端配置
Linux操作系統(tǒng)修改IP
人氣排行 Linux下獲取CPUID、硬盤序列號(hào)與MAC地址 dmidecode命令查看內(nèi)存型號(hào) linux tc實(shí)現(xiàn)ip流量限制 安裝紅帽子RedHat Linux9.0操作系統(tǒng)教程 linux下解壓rar文件 lcx.exe、nc.exe、sc.exe入侵中的使用方法 Ubuntu linux 關(guān)機(jī)、重啟、注銷 命令 查看linux服務(wù)器硬盤IO讀寫(xiě)負(fù)載