針對(duì)嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)的討論

　引言

　　Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關(guān)鍵性場(chǎng)合。其中實(shí)時(shí)多媒體處理、工業(yè)控制、汽車電子等特定應(yīng)用對(duì)Linux提出了強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求。Linux提供了一些實(shí)時(shí)擴(kuò)展，但需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造。本文針對(duì)嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論，如Linux內(nèi)核時(shí)延，實(shí)時(shí)化主流技術(shù)方案及其評(píng)價(jià)等。

　　Linux內(nèi)核時(shí)延

　　主流Linux雖然部分滿足POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，但還不完全是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為：

　　● 任務(wù)調(diào)度與內(nèi)核搶占

　　2.6版本內(nèi)核添加了許多搶占點(diǎn)，使進(jìn)程執(zhí)行在內(nèi)核代碼時(shí)也可被搶占。為支持內(nèi)核代碼可搶占，在2.6版內(nèi)核中通過(guò)采用禁用中斷的自旋鎖來(lái)保護(hù)臨界區(qū)。但此時(shí)如果有低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程在臨界區(qū)中執(zhí)行，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程即使不訪問(wèn)低優(yōu)先級(jí)所保護(hù)的臨界區(qū)，也必須等待低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程退出臨界區(qū)。

　　● 中斷延遲

　　在主流Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被阻塞的最長(zhǎng)時(shí)間不確定。而且，由于內(nèi)核為保護(hù)臨界區(qū)需要關(guān)閉中斷，更加增長(zhǎng)了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞時(shí)間。

　　● 時(shí)鐘精度

　　Linux通過(guò)硬件時(shí)鐘編程來(lái)產(chǎn)生毫秒級(jí)周期性時(shí)鐘中斷進(jìn)行內(nèi)核時(shí)間管理，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)較高精度的調(diào)度要求。內(nèi)核定時(shí)器精度同樣也受限于時(shí)鐘中斷，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高精度定時(shí)需求。

　　● 其他延遲

　　此外，Linux內(nèi)核其他子系統(tǒng)也存在多種延遲。比如為了增強(qiáng)內(nèi)核性能和減少內(nèi)存消耗，Linux僅在需要時(shí)裝載程序地址空間相應(yīng)的內(nèi)存頁(yè)。當(dāng)被存取內(nèi)容(如代碼)不在RAM中則內(nèi)存管理單元(MMU)將產(chǎn)生頁(yè)表錯(cuò)誤(Page-Fault)觸發(fā)頁(yè)面裝載，造成實(shí)時(shí)進(jìn)程響應(yīng)時(shí)間不確定。

　　Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)發(fā)展

　　主流Linux內(nèi)核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內(nèi)核無(wú)搶占支持，直到2.6版本的Linux內(nèi)核才支持可搶占內(nèi)核，支持臨界區(qū)外的內(nèi)核搶占和可搶占的大內(nèi)核鎖。在此基礎(chǔ)上，Linux采用了下列兩類實(shí)時(shí)化技術(shù)。

　● 雙內(nèi)核方式

　　Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化雙內(nèi)核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RTLinux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持底層任務(wù)管理、中斷服務(wù)例程、底層任務(wù)通信隊(duì)列等。普通Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，Linux下的任務(wù)通過(guò)FIFO命名管道和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行通信，如圖1所示。

　　當(dāng)Linux要關(guān)閉中斷時(shí)，實(shí)時(shí)微內(nèi)核會(huì)截取并記錄這個(gè)請(qǐng)求，通過(guò)軟件來(lái)模擬中斷控制器，而沒(méi)有真正關(guān)閉硬件中斷，避免了由于關(guān)中斷所造成的響應(yīng)延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級(jí)的時(shí)鐘精度。RTAI類似RTLinux的實(shí)現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，形成一個(gè)實(shí)時(shí)硬件抽象層(RTHAL)，使其實(shí)時(shí)任務(wù)能在任何時(shí)刻中斷普通Linux任務(wù)，兩者之間通過(guò)非阻塞隊(duì)列進(jìn)行通訊。RTAI將直接修改Linux內(nèi)核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎(chǔ)，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內(nèi)核替代RTAI的硬件抽象層。其特色還在于模仿了傳統(tǒng)RTOS的API接口，推動(dòng)傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內(nèi)核的L4Linux等開源項(xiàng)目。

　　● 內(nèi)核補(bǔ)丁方式

　　雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案下，實(shí)時(shí)任務(wù)需要按照微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的另外一套API進(jìn)行設(shè)計(jì)。而內(nèi)核補(bǔ)丁方式則不改變Linux的API，原有應(yīng)用程序可在實(shí)時(shí)化后的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及現(xiàn)階段Ingo Monlnar等人開發(fā)的實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁內(nèi)核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個(gè)基于普通Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過(guò)正常態(tài)、實(shí)時(shí)態(tài)和混合態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的劃分。RED-Linux通過(guò)任務(wù)多種屬性和調(diào)度程序，可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內(nèi)核插入了許多搶占點(diǎn)，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補(bǔ)丁以及可搶占內(nèi)核補(bǔ)丁基礎(chǔ)上[4]，通過(guò)開發(fā)內(nèi)核O(1)實(shí)時(shí)調(diào)度程序并對(duì)可搶占內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)和測(cè)試，Linux 2.4內(nèi)核時(shí)代，MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實(shí)時(shí)性上有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。TimeSys Linux通過(guò)內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時(shí)鐘、優(yōu)先級(jí)繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內(nèi)核吸收了以上技術(shù)，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項(xiàng)。分別適合于計(jì)算型任務(wù)系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級(jí)延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對(duì)2.6內(nèi)核MontaVista推出了實(shí)時(shí)Linux計(jì)劃，推進(jìn)了Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化進(jìn)程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁，并逐漸成為L(zhǎng)inux內(nèi)核實(shí)時(shí)主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補(bǔ)充，本文后續(xù)內(nèi)容要涉及實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁。