嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能提高方案

1 引言

　　分析了Linux的實(shí)時(shí)性，針對其在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，在參考了與此相關(guān)研究基礎(chǔ)上，從三方面提出了改善Linux實(shí)時(shí)性能的改進(jìn)措施。為提高嵌入式應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間精度,提出兩種細(xì)化Linux時(shí)鐘粒度方法;為增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)核對實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力,采用插入搶占點(diǎn)和修改內(nèi)核法增強(qiáng)Linux內(nèi)核的可搶占性;為保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求，把原Linux的單運(yùn)行隊(duì)列改為雙運(yùn)行隊(duì)列,硬實(shí)時(shí)任務(wù)單獨(dú)被放在一個(gè)隊(duì)列中,并采用MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度算法。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，參考了修改核方法的思想，從內(nèi)核時(shí)鐘管理、內(nèi)核的搶占性、內(nèi)核調(diào)度算法三方面論述了改善標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性能的方法。

　　2 Linux 在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙

　　2.1 Linux的實(shí)時(shí)性分析

　　Linux作為一個(gè)通用操作系統(tǒng)，主要考慮的是調(diào)度的公平性和吞吐量等指標(biāo)。然而，在實(shí)時(shí)方面它還不能很好地滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面的需要，其本身僅僅提供了一些實(shí)時(shí)處理的支持，這包括支持大部分POSIX標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)時(shí)功能，支持多任務(wù)、多線程，具有豐富的通信機(jī)制等;同時(shí)也提供了符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略。Linux區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，并采用不同的調(diào)度策略。

　　為了同時(shí)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程，Linux的調(diào)度策略簡單講就是優(yōu)先級加上時(shí)間片。當(dāng)系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)進(jìn)程到來時(shí)，系統(tǒng)賦予它最高的優(yōu)先級。體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性上，Linux采用了兩種簡單的調(diào)度策略，即先來先服務(wù)調(diào)度(SCHED-FIFO)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度(SCHED-RR)。具體是將所有處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)掛接在一個(gè)run-queue 隊(duì)列中,并將任務(wù)分成實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)，對不同的任務(wù)，在其任務(wù)控制塊task-struct中用一個(gè)policy屬性來確定其調(diào)度策略。對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)的硬實(shí)時(shí)任務(wù)采用SCHED-FIFO調(diào)度，使之在一次調(diào)度后運(yùn)行完畢。對普通非實(shí)時(shí)進(jìn)程，Linux采用基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)策略。

　　2.2 Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙

　　盡管Linux本身提供了一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制，然而，由于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(shí)時(shí)應(yīng)用所要滿足的時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙具體表現(xiàn)在:

　　(1)Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過粗糙，時(shí)鐘中斷周期為10ms，使得其時(shí)間粒度過大，加大了任務(wù)響應(yīng)延遲。

　　(2) Linux的內(nèi)核是不可搶占的, 當(dāng)一個(gè)任務(wù)通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí),一個(gè)具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程，只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行，這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不確定性，顯然不能滿足硬實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

　　(3) Linux采用對臨界區(qū)操作時(shí)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(shí)響應(yīng)外部操作的能力。

　　(4) 缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法。

　　針對這些問題，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，必須增強(qiáng)其內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能，從而構(gòu)建出一個(gè)具有實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式系統(tǒng)，適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的需要。2.3 當(dāng)前增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù)

　　近年來，人們對于Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性改造提出了一些方法和設(shè)想，它們采用了不同的思路和技術(shù)方案。歸納總結(jié)，支持Linux的硬實(shí)時(shí)性一般有兩種策略[5]：一種是直接修改Linux內(nèi)核,重新編寫一個(gè)由優(yōu)先級驅(qū)動的實(shí)時(shí)調(diào)度器(Real-time Scheduler)，替換原有內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度器sched.c，KURT是采用這一方案較為成功的實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng);另外一種是在Linux內(nèi)核之外, 以可加載內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Module)的形式添加實(shí)時(shí)內(nèi)核，確保其高響應(yīng)特性，實(shí)時(shí)內(nèi)核接管來自硬件的所有中斷，并依據(jù)是否是實(shí)時(shí)任務(wù)決定是否直接響應(yīng)。新墨西哥科技大學(xué)的 RT-Linux，就是基于這種策略而開發(fā)的。以上兩種策略有其借鑒之處，但如果綜合考慮任務(wù)響應(yīng)、內(nèi)核搶占性、實(shí)時(shí)調(diào)度策略等幾個(gè)影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要方面，它們還不能很好的滿足實(shí)時(shí)性問題。為了增強(qiáng)嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能，下文將就內(nèi)核時(shí)鐘精度、內(nèi)核的搶占性以及內(nèi)核調(diào)度算法等相關(guān)問題重點(diǎn)研究相應(yīng)的解決方法。

　　3 改善嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能的方法

　　針對Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，將Linux改造成為支持實(shí)時(shí)任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng), 主要從下面三個(gè)方面進(jìn)行著手。

　　3.1細(xì)化時(shí)鐘粒度

　　精確的計(jì)時(shí)是實(shí)時(shí)調(diào)度器正確操作所必須的，調(diào)度器通常要求在一個(gè)特定的時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換，計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤將導(dǎo)致背離計(jì)劃的調(diào)度，引起任務(wù)釋放抖動。標(biāo)準(zhǔn) Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過粗糙，時(shí)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(shí)間精度的要求。因此，在實(shí)時(shí)Linux應(yīng)用中，需要細(xì)化其時(shí)鐘粒度，具體有兩種方式可以解決時(shí)鐘粒度問題：一是通過直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值來細(xì)化時(shí)鐘粒度，如將標(biāo)準(zhǔn)Linux中內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ改為10000, 則時(shí)鐘粒度可以達(dá)到100us，這種方式雖然會增加一些系統(tǒng)開銷，但在強(qiáng)周期性環(huán)境下，對定時(shí)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;二是通過對可編程中斷定時(shí)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(shí)鐘機(jī)制，以提高其時(shí)鐘的分辨率，使毫秒級的粗粒度定時(shí)器變成微秒級的細(xì)粒度定時(shí)器。

　　3.2 增強(qiáng)Linux內(nèi)核的搶占性

　　標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核是不可搶占的，導(dǎo)致較大的延遲，增強(qiáng)內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)內(nèi)核對實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力。目前，有兩種方法修改Linux內(nèi)核以提高實(shí)時(shí)任務(wù)搶占非實(shí)時(shí)任務(wù)的能力：一是在內(nèi)核中增加搶占點(diǎn)的方法;二是直接將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核。插入搶占點(diǎn)方法是在Linux內(nèi)核中插入一些搶占點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行到搶占點(diǎn)時(shí)，如果有更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)進(jìn)程正在等待運(yùn)行，那么正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核進(jìn)程將會把CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給等待運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程;如果沒有更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)進(jìn)程等待，則當(dāng)前進(jìn)程將繼續(xù)執(zhí)行，此時(shí)系統(tǒng)增加的開銷僅僅是檢測一下調(diào)度標(biāo)志。將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核方法的基本思想是產(chǎn)生運(yùn)行調(diào)度器的機(jī)會，縮短任務(wù)發(fā)生到調(diào)度函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間間隔。這種方法修改了Linux源代碼中的自旋鎖宏以避免競爭，并在其中引入一個(gè)稱作搶占鎖計(jì)數(shù)器(PLC)的新的計(jì)數(shù)信號允許內(nèi)核代碼搶占，當(dāng)它為0時(shí)，允許搶占;當(dāng)其為大于0的任何值時(shí)，禁止搶占。目前，針對這兩種修改 Linux內(nèi)核的方法，已經(jīng)有兩種比較成熟的Linux內(nèi)核補(bǔ)丁被研制出來：搶占式補(bǔ)丁和低時(shí)延補(bǔ)丁。其中，搶占式補(bǔ)丁是Monta Vista開發(fā)的，它修改了內(nèi)核代碼中的spinlock宏和中斷返回代碼，使得當(dāng)前進(jìn)程可被安全搶占，當(dāng)自旋鎖釋放或者中斷線程完成時(shí)，調(diào)度器就有機(jī)會執(zhí)行調(diào)度;低時(shí)延補(bǔ)丁是由Ingo Malnor提出，該方法只是在執(zhí)行時(shí)間長的代碼塊上搶占，不采用強(qiáng)制式搶占，因此，如何找到延時(shí)長的代碼塊是解決問題的關(guān)鍵。

　　3.3 改善Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器的調(diào)度策略

　　將進(jìn)入系統(tǒng)的所有任務(wù)按實(shí)時(shí)性分成三類：硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)[6]。硬實(shí)時(shí)要求系統(tǒng)確保任務(wù)執(zhí)行最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，即必須滿足實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)時(shí)間的截止期限，否則，將引發(fā)致命的錯(cuò)誤;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，但不能保證特定任務(wù)在指定時(shí)期內(nèi)完成。針對不同的實(shí)時(shí)性任務(wù)，分別采用不同的調(diào)度方法進(jìn)行處理。

　　為了嚴(yán)格保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求，改善的Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器采用了優(yōu)先級調(diào)度算法，目前最小松弛時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法MLF(Minimum- Laxity-First Scheduling Algorithm)是動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度最常見的實(shí)時(shí)調(diào)度策略。它在系統(tǒng)中為每一個(gè)任務(wù)設(shè)定松弛時(shí)間(任務(wù)的松弛時(shí)間等于任務(wù)的截止期減去任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、當(dāng)前時(shí)間)即: laxity= deadlineDcurrent_timeDCPU_time_needed，系統(tǒng)優(yōu)先執(zhí)行具有最小松弛時(shí)間的任務(wù)。根據(jù)就緒隊(duì)列的各任務(wù)的松弛時(shí)間來分配優(yōu)先級，松弛時(shí)間最小的任務(wù)具有最高的優(yōu)先級。為了提高Linux的實(shí)時(shí)性，我們設(shè)計(jì)了MLF調(diào)度器，并把它作為可加載模塊加入Linux內(nèi)核中，在實(shí)現(xiàn)中需對內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的修改。為了區(qū)分任務(wù)的類型，對基本Linux的task_struct屬性進(jìn)行改進(jìn)，在其中增加SCHED_MLF調(diào)度策略，并按task_struct中的policy的取值來進(jìn)行區(qū)分, 分別用SCHED_MLF，SCHED_RR，SCHED_OTHER來標(biāo)識硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)。將處于運(yùn)行狀態(tài)的三類任務(wù)放入兩個(gè)隊(duì)列，硬實(shí)時(shí)任務(wù)放入hard_real_queue隊(duì)列, 采用MLF調(diào)度算法，軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)放入non_real_queue隊(duì)列(空閑任務(wù)也在其中)，沿用原內(nèi)核的RR調(diào)度算法。這兩個(gè)隊(duì)列可以用一個(gè) run_queue[2]的指針數(shù)組來指向,如圖1 所示。

　　圖1 雙對列任務(wù)運(yùn)行

　　雙隊(duì)列任務(wù)運(yùn)行過程與原內(nèi)核的單運(yùn)行隊(duì)列執(zhí)行流程的主要區(qū)別在：首先，各硬實(shí)時(shí)任務(wù)采用了MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度，提高了 Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。其次，在判斷是否有軟中斷需要處理之前需判斷硬實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)列是否為空，如果不為空，即使存在中斷的后半部分需要處理,也要先調(diào)度硬實(shí)時(shí)任務(wù)投入運(yùn)行，在硬實(shí)時(shí)隊(duì)列為空的條件下才去處理中斷的后半部分(因?yàn)橹袛嗟暮蟀氩糠譀]有硬實(shí)時(shí)任務(wù)緊急)。最后，如果沒有硬實(shí)時(shí)任務(wù)存在，則說明只有run_queue [1]隊(duì)列中有軟實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)任務(wù)存在，這時(shí)的處理方法和原內(nèi)核對單運(yùn)行隊(duì)列的處理方法相同。這樣改進(jìn)后，可以明顯提高硬實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度效率，而在沒有硬實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)性能沒有變化。

　　4 結(jié)束語

　　本文在分析Linux實(shí)時(shí)性的同時(shí)，探討了其本身提供的一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制以及在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙。而后，基于增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù)，從細(xì)化時(shí)鐘粒度、增強(qiáng)內(nèi)核搶占性及實(shí)時(shí)調(diào)度策略三方面入手，提出了改善Linux實(shí)時(shí)性能的優(yōu)化方法。