嵌入式Linux下的實時性增強方案

摘 要： 分析了嵌入式Linux在實時性方面的不足，針對Linux2.6內(nèi)核的中斷運行機制、內(nèi)核不可搶占性、自旋鎖及大內(nèi)核鎖等問題進行研究，提出相應的實時性改進方法。測試表明，改進后的嵌入式Linux實時性效果較好。

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)計方案以及豐富的開發(fā)工具支持等特點廣泛應用在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。作為嵌入式產(chǎn)品的操作系統(tǒng)平臺，具有較好的實時性、系統(tǒng)可靠性、任務處理隨機性是系統(tǒng)追求的目標，目前商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)實時性能可以滿足嵌入式領(lǐng)域的需求，但由于其價格昂貴，應用受到了限制[1]。而嵌入式Linux以其非常低廉的價格，可以大大地降低成本，逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。但由于其在實時應用領(lǐng)域的技術(shù)障礙，要應用在嵌入式領(lǐng)域,還必須對Linux內(nèi)核作必要的改進。本文以S3C2410+Linux作為移動機器人操作平臺,為了提高機器人任務處理的實時性，針對影響Linux OS實時性能的若干方面進行研究，并利用相應的解決方法基于標準Linux2.6內(nèi)核加以實現(xiàn)，最后通過測試，驗證了此改進方法的效果。

1 Linux內(nèi)核實時性分析

1.1 Linux內(nèi)核制約實時性的因素

衡量操作系統(tǒng)實時性的指標主要有中斷延遲和搶占延遲。嵌入式系統(tǒng)中很多實時任務是靠中斷驅(qū)動的，中斷事件必須在限定的時限內(nèi)處理，否則將產(chǎn)生災難性的后果。大多數(shù)實時系統(tǒng)都是處理一些周期性的或非周期性的重復事件，事件產(chǎn)生的頻度就確定了任務的執(zhí)行時限，因此每次事件發(fā)生時，相應的處理任務必須及時響應處理，否則將無法滿足時限[2]。搶占延遲就反映了系統(tǒng)的響應及時程度。針對Linux內(nèi)核，中斷關(guān)閉及中斷優(yōu)先級執(zhí)行機制、內(nèi)核不可搶占性、自旋鎖（spinlock）及大內(nèi)核鎖及一些O(n)的任務調(diào)度算法影響了系統(tǒng)的實時性能。

1.2 現(xiàn)存增強Linux內(nèi)核實時性的技術(shù)

多年來,Linux實時性改進技術(shù)的發(fā)展主要有兩種技術(shù)方案:(1)直接修改Linux內(nèi)核。針對內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度函數(shù)、中斷方式進行改動，重新設(shè)計一個由優(yōu)先級驅(qū)動的實時調(diào)度器,替換原有Linux內(nèi)核中的進程調(diào)度器sched.c。這一方案主要是針對中斷機制、任務調(diào)度算法進行改進的，較為成功的案例為Kansas大學開發(fā)的Kurt-Linux。Kurt提高了Linux系統(tǒng)中的實時精度，將時鐘芯片設(shè)置為單觸發(fā)狀態(tài)。對于實時任務的調(diào)度，Kurt-Linux采用基于時間的靜態(tài)實時CPU調(diào)度算法。實時任務在設(shè)計階段就需要明確地說明其實時事件要發(fā)生的時間。這種調(diào)度算法對于那些循環(huán)執(zhí)行的任務能夠取得較好的調(diào)度效果;(2)在Linux內(nèi)核之外進行實時性擴展，添加一個實時內(nèi)核。實時內(nèi)核接管硬件所有中斷，并依據(jù)是否為實時任務給予響應。Fsm Labs公司開發(fā)的RTLinux就是依據(jù)這種策略開發(fā)設(shè)計的[3]。以上論述的兩種技術(shù)方案有其可借鑒之處，但如果綜合考慮任務響應、內(nèi)核可搶占性、實時調(diào)度策略等都將影響操作系統(tǒng)的實時性能，因此，這兩種技術(shù)還不能很好地滿足實時性要求。為了增強嵌入式Linux實時性能，下面將介紹中斷機制、內(nèi)核的搶占性以及大內(nèi)核鎖等相關(guān)問題。

2 Linux實時性改進方法

Linux2.4及以前版本內(nèi)核是不可搶占的,在Linux2.6中，內(nèi)核已經(jīng)可以搶占，實時性有所增強。但是內(nèi)核中仍然有不可搶占的區(qū)域，如自旋鎖spinlock保護的臨界區(qū)等。另外，影響內(nèi)核實時性能的因素還有中斷運行機制、大內(nèi)核鎖機制以及調(diào)度算法等。

2.1 中斷運行機制改進

在Linux標準內(nèi)核中,中斷是最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元，硬件架構(gòu)決定了硬件中斷到來的時候在該中斷沒有被屏蔽的條件下必須處理。不管內(nèi)核當時處理什么，即便是Linux中最高優(yōu)先級的實時進程，只要有中斷發(fā)生，系統(tǒng)將立即響應該事件并執(zhí)行相應的中斷處理程序，這就大大削弱了Linux的實時性能。特別是系統(tǒng)有嚴重的網(wǎng)絡(luò)或I/O負載時，中斷將非常頻繁，實時任務將很難有機會運行，這對于Linux的實時應用來說是不可接受的。Linux采用的關(guān)中斷技術(shù)在關(guān)中斷區(qū)域使相應實時任務得不到響應，增加了實時任務的中斷延遲。Linux實時化后自旋鎖變?yōu)榛コ怄i的技術(shù)，但由于自旋鎖的中斷處理不能及時響應，降低了系統(tǒng)的實時性能。因此，借鑒Ingo Molnar實時補丁的實時化方法，采用中斷線程化技術(shù)改進中斷運行機制，中斷將作為內(nèi)核線程運行而且賦予不同的實時優(yōu)先級，實時任務可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級，這樣，實時任務就可以作為最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元來運行了，即使在嚴重負載下仍有實時性保證。另一方面,中斷處理線程也可以因為在內(nèi)核同步中得不到鎖而掛載到鎖的等待隊列中,很多關(guān)中斷就不必真正的禁止硬件中斷了，而是禁止內(nèi)核進程搶占，從而減小了中斷延遲[4]。

在初始化階段，常規(guī)中斷初始化和中斷線程化的初始化在STart_kernel( )函數(shù)中都調(diào)用trap_init( )和init_IRQ( )兩個函數(shù)來初始化irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，區(qū)別主要體現(xiàn)在內(nèi)核初始化創(chuàng)建init線程時，中斷線程化的中斷在init( )函數(shù)中還將調(diào)用init_hardirqs（kernel/irq/manage.c）來為每一個IRQ創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，最高實時優(yōu)先級為50，依次類推直到25。因此，任何IRQ線程的最低實時優(yōu)先級為25，具體實現(xiàn)是通過kthread_create函數(shù)創(chuàng)建的。功能實現(xiàn)等同于如下代碼：

void __init init_hardirqs(void)

{ ……

for (i = 0; i NR_IRQS; i++) {

//對于每一個中斷建立一個中斷線程

irq_desc_t *desc = irq_desc + i;

if(desc->actiON !(desc->status IRQ_NODELAY))

//有IRQ_NODELAY標志的中斷不允許線程化

desc->thread = kthread_create(do_irqd,

desc, IRQ %d, irq); //建立線程

……

}

}

static int do_irqd(void * __desc)

//分配中斷線程優(yōu)先級50~25

{ ……

/*Scale irq thread priorities from prio 50 to prio 25 */

param.sched_priority = curr_irq_prio;

if (param.sched_priority > 25)

curr_irq_prio = param.sched_priority - 1;

……

}