改善嵌入式Linux实时性能的方法研究

目前，无论是在日常生活，还是在工业控制，航空航天，军事等方面，嵌入式系统都有着非常广泛的应用。嵌入式系统目前主要有：windows ce、vxworks、qnx等，它们都具有较好的实时性、系统可靠性、任务处理随机性等优点,但是它们的价格普遍偏高。而嵌入式 linux以其非常低廉的价格，可以大大的降低成本，逐渐成为嵌入式操作系统的首选。但是,作为通用操作系统的linux，由于其在实时应用领域的技术障碍，要应用在嵌入式领域，还必须对linux内核作必要的改进。许多嵌入式设备都要求与外部环境有硬实时的交互能力，将最初按照分时系统目标设计的 linux 改造成能支持硬实时性的操作系统显得十分重要。幸运的是, linux 及其相关项目的开放源码特征为深入研究其内核并加以改造提供了可行性, 可以修改linux 内核中的各个模块以达到满足嵌入式应用的需求，提高软件方面的开发速度。目前，改善linux内核的设计与实现，使其适用于实时领域吸引了许多研究和开发人员的注意力[1-4]。常用的实时性改造方法是采用双核方法，这种方法的弊端在于实时任务的开发是直接面向提供精确实时服务的小实时核心的，而不是功能强大的常规linux核心。基于此，近年来修改核的方法越来越受到科研人员的重视，这种方法是基于已有linux系统对于软件开发的支持，进行源代码级修改而使linux变成一个真正的实时操作系统。本文分析了标准linux在实时应用中的技术障碍，参考了修改核方法的思想，从内核时钟管理、内核的抢占性、内核调度算法三方面论述了改善标准linux实时性能的方法。
　　2 linux 在实时应用中的技术障碍　　2.1 linux的实时性分析　　linux作为一个通用操作系统，主要考虑的是调度的公平性和吞吐量等指标。然而，在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要，其本身仅仅提供了一些实时处理的支持，这包括支持大部分posix标准中的实时功能，支持多任务、多线程，具有丰富的通信机制等；同时也提供了符合posix标准的调度策略，包括fifo调度策略、时间片轮转调度策略和静态优先级抢占式调度策略。linux区分实时进程和普通进程，并采用不同的调度策略。　　为了同时支持实时和非实时两种进程，linux的调度策略简单讲就是优先级加上时间片。当系统中有实时进程到来时，系统赋予它最高的优先级。体现在实时性上，linux采用了两种简单的调度策略，即先来先服务调度（sched-fifo）和时间片轮转调度（sched-rr）。具体是将所有处于运行状态的任务挂接在一个run-queue 队列中,并将任务分成实时和非实时任务，对不同的任务，在其任务控制块task-struct中用一个policy属性来确定其调度策略。对实时性要求较严的硬实时任务采用sched-fifo调度，使之在一次调度后运行完毕。对普通非实时进程，linux采用基于优先级的轮转策略。
　　2.2 linux在实时应用中的技术障碍　　尽管linux本身提供了一些支持实时性的机制，然而，由于linux系统是以高的吞吐量和公平性为追求目标，基本上没有考虑实时应用所要满足的时间约束，它只是提供了一些相对简单的任务调度策略。因此，实时性问题是将linux应用于嵌入式系统开发的一大障碍,无法在硬实时系统中得到应用。 linux在实时应用中的技术障碍具体表现在:　　（1）linux系统时钟精度太过粗糙，时钟中断周期为10ms，使得其时间粒度过大，加大了任务响应延迟。　　（2） linux的内核是不可抢占的, 当一个任务通过系统调用进入内核态运行时,一个具有更高优先级的进程，只有等待处于核心态的系统调用返回后方能执行，这将导致优先级逆转。实时任务执行时间的不确定性，显然不能满足硬实时应用的要求。　　（3） linux采用对临界区操作时屏蔽中断的方式，在中断处理中是不允许进行任务调度的，从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。　　（4） 缺乏有效的实时任务调度机制和调度算法。　　针对这些问题，利用linux作为底层操作系统，必须增强其内核的实时性能，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，适应嵌入式领域应用的需要。　　2.3 当前增强linux内核实时性的主流技术　　近年来，人们对于linux内核实时性改造提出了一些方法和设想，它们采用了不同的思路和技术方案。归纳总结，支持linux的硬实时性一般有两种策略[5]：一种是直接修改linux内核,重新编写一个由优先级驱动的实时调度器（real-time scheduler），替换原有内核中的进程调度器sched.c，kurt是采用这一方案较为成功的实时linux操作系统；另外一种是在linux内核之外, 以可加载内核模块（loadable kernel module）的形式添加实时内核，确保其高响应特性，实时内核接管来自硬件的所有中断，并依据是否是实时任务决定是否直接响应。新墨西哥科技大学的 rt-linux，就是基于这种策略而开发的。以上两种策略有其借鉴之处，但如果综合考虑任务响应、内核抢占性、实时调度策略等几个影响操作