Linux分時操作系統(tǒng)的實時性分析
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2. 搶占式內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計
為了解決Linux實現(xiàn)硬實時的最大障礙，使Linux內(nèi)核成為完全可被搶占實時內(nèi)核，典型的實現(xiàn)方案是雙核結(jié)構(gòu)。使用實時核來運(yùn)行實時任務(wù)，Linux內(nèi)核來運(yùn)行非實時任務(wù)。例如：對于實時數(shù)據(jù)采樣分析而言，利用實時內(nèi)核運(yùn)行一個實時任務(wù)來完成數(shù)據(jù)采集，另一個實時任務(wù)完成數(shù)據(jù)分析和控制輸出功能；同時利用Linux內(nèi)核上運(yùn)行的界面來進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。如圖1所示。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/151227.htm
圖1 雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)
在Linux內(nèi)核和硬件之間加個小的實時核，由它管理中斷，提供一些必要的功能，如底層任務(wù)創(chuàng)建、中斷服務(wù)程序，并且為底層任務(wù)、ISR和Linux進(jìn)程之間進(jìn)行通信排隊；而Linux內(nèi)核本身則成為優(yōu)先級最低的Idletask。
對實時性要求強(qiáng)的應(yīng)用編寫成實時任務(wù)，在實時內(nèi)核上直接運(yùn)行。Linux內(nèi)核可以被優(yōu)先級更高的實時任務(wù)搶占。對于Linux內(nèi)核的修改主要集中在三方面：(1) 在Linux內(nèi)核中影響實時性的地方增加控制點，使內(nèi)核在控制點可以被搶占，減少內(nèi)核搶占延遲；(2) 將執(zhí)行時間較長的系統(tǒng)劃分為幾個甚至是十幾個較小的塊分別執(zhí)行，使實時任務(wù)隨時中斷非實時任務(wù)；(3) 根據(jù)實際需要，增加部分功能。
隨著嵌入式應(yīng)用的深入，特別是在數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，多核結(jié)構(gòu)的處理器也陸續(xù)上市。如：Motorola公司研發(fā)的MPC8260PowerQUICC||融合了兩個CPU-嵌入式PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊（CPM）；Infineon公司推出的TC10GP和增強(qiáng)型TC1130都是三核（TriCore）結(jié)構(gòu)的微處理器，這些處理器的產(chǎn)生對于Linux應(yīng)用中的實時性都大有幫助。 3. 實時調(diào)度的算法研究
常用的實時調(diào)度算法有：基于優(yōu)先級的調(diào)度算法（priority-drivenscheduling，PD）；基于時間驅(qū)動的調(diào)度算法（time-drivenscheduling，TD）；基于比例共享的調(diào)度算法（share-drivensched2uling，SD）?；趦?yōu)先級的調(diào)度算法 調(diào)度器以優(yōu)先級作為尋求下一個任務(wù)執(zhí)行的依據(jù)?？煞譃槿缦聝煞N類型：
(1) 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：該算法給系統(tǒng)中所有進(jìn)程都靜態(tài)的分配一個優(yōu)先級。靜態(tài)優(yōu)先級的分配可以根據(jù)應(yīng)用的屬性來進(jìn)行，例如任務(wù)的周期、用戶優(yōu)先級或者其他預(yù)先確定的策略。RM（RateMonotonic）是一種典型的靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，它根據(jù)任務(wù)執(zhí)行周期的長短來決定調(diào)度優(yōu)先級，執(zhí)行周期小的任務(wù)具有較高的優(yōu)先級。
(2) 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法：這種算法根據(jù)任務(wù)的資源需求來動態(tài)的分配任務(wù)的優(yōu)先級。EDF（earliestdeadlinefirst）算法是一種典型的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，該算法根據(jù)就緒隊列中各個任務(wù)的截止期限來分配優(yōu)先級，具有最近截止期限的任的優(yōu)先級最高。
基于時間驅(qū)動的調(diào)度算法
該算法本質(zhì)上是一種設(shè)計時就確定下來的離線的靜態(tài)調(diào)度方法。在系統(tǒng)的設(shè)計階段，在明確系統(tǒng)中所有處理的情況下，對于各個任務(wù)的開始、切換以及結(jié)束時間等事先組出明確的安排和設(shè)計。
基于比例共享的調(diào)度算法
這是一種越來越受到關(guān)注的實時調(diào)度模式，基于GPS（generalprocessorscheduling）的算法，其基本思想就是按照一定的權(quán)重（CPU使用的比例）對一組需要調(diào)度的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使其執(zhí)行時間與權(quán)重完全成正比?？梢酝ㄟ^兩種方法來實現(xiàn)比例共享調(diào)度算法：(1)是調(diào)節(jié)各個就緒進(jìn)程出現(xiàn)在當(dāng)前調(diào)度隊列隊首的頻率，并調(diào)度隊首的進(jìn)程執(zhí)行；(2)是逐次調(diào)度就緒隊列中的各個進(jìn)程投入運(yùn)行，但根據(jù)分配的權(quán)重調(diào)節(jié)分配給每個進(jìn)程的運(yùn)行時間片。比例共享算法包括輪轉(zhuǎn)法、公平共享法、公平隊列法和彩票調(diào)度法等幾類。
每一種調(diào)度策略都有自己的優(yōu)越性和不足。在這里我們提出了一種宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計和構(gòu)造多屬性和多調(diào)度器的選擇機(jī)制，使三種實時調(diào)度策略的應(yīng)用都得到支持，相對于只對單種調(diào)度策略提供支持的方案，拓展了系統(tǒng)的可使用范圍。宏觀調(diào)度結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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