基于APIC時(shí)鐘的嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化研究

引言
嵌入式Linux是指對(duì)Linux進(jìn)行剪裁后，將其固化在單片機(jī)或者存儲(chǔ)器中，應(yīng)用于特定場(chǎng)合的專用Linux系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性能高，但Linux為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，盡管最新的內(nèi)核在實(shí)時(shí)性能方面有所提高，但它仍然不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在很多場(chǎng)合不能滿足實(shí)時(shí)性要求。一般地，通過(guò)改造Linux的內(nèi)核以提高其實(shí)時(shí)性能有2種策略：一種是采用底層編程的方法對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改(如調(diào)度算法、時(shí)鐘修改等)，典型的系統(tǒng)有Kansas大學(xué)開(kāi)發(fā)的KURT。文獻(xiàn)提出了搶占式內(nèi)核調(diào)度算法，容易引起內(nèi)核優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)針對(duì)非搶占式內(nèi)核，增加搶占點(diǎn)，該方法需要優(yōu)秀的調(diào)度算法。另一種途徑是Linux的外部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展，在原有Linux基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一個(gè)用于專門處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核，典型的系統(tǒng)有RTLinux、RTAI等。此方法的不足是RTLinux現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新，目前的開(kāi)源版本僅支持2．4內(nèi)核，RTAI的設(shè)計(jì)原理和RTLinux類似，也是一個(gè)實(shí)時(shí)性應(yīng)用接口。本文采用APIC時(shí)鐘修改的方法對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，修改APIC中斷函數(shù)，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實(shí)時(shí)中斷的優(yōu)先級(jí)大于普通8254中斷。通過(guò)多組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該改造方法是有效的。

1 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性分析
Linux設(shè)計(jì)的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡，其內(nèi)核試圖通過(guò)一種公平分配的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程平均地共享系統(tǒng)資源：
(1)內(nèi)核的不可搶占性：Linux的內(nèi)核在單處理器上不可搶占，當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)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(jí)逆轉(zhuǎn)。
(2)進(jìn)程調(diào)度的不可搶占性：Linux作為一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)，采用多級(jí)反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，它保證了每一個(gè)進(jìn)程都有一種調(diào)度策略，但是都放在同一個(gè)隊(duì)列中運(yùn)行，這也是Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。圖1是Linux調(diào)度機(jī)制框圖。
(3)時(shí)鐘中斷的精度不高：Linux 2．4．X內(nèi)核的時(shí)鐘中斷周期為10 ms，時(shí)鐘粒度太過(guò)于粗糙，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。
(4)Linux的虛擬存儲(chǔ)管理：Linux采用段和頁(yè)機(jī)制的虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)，進(jìn)程在硬盤和內(nèi)存間的換入換出必然帶來(lái)額外的開(kāi)銷，造成很大的延遲。

由此可見(jiàn)，要將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域要求。

2 基于時(shí)鐘修改的內(nèi)核改造方案
在單CPU系統(tǒng)中，與時(shí)間有關(guān)的活動(dòng)都是由8254時(shí)鐘芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的，8254產(chǎn)生0號(hào)中斷。直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值就可構(gòu)造細(xì)粒度定時(shí)器。這種方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是由此帶來(lái)頻繁的定時(shí)中斷使得系統(tǒng)的開(kāi)銷很大，當(dāng)然隨著硬件速度的提高，這種開(kāi)銷會(huì)逐步降低。
簡(jiǎn)單地修改赫茲參數(shù)HZ進(jìn)行實(shí)時(shí)化的方法顯然并不可取。Linux 2．6內(nèi)核的時(shí)鐘粒度是1 ms，但仍然與嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)化要求差距較遠(yuǎn)，因此需要更高精度的時(shí)鐘。目前常見(jiàn)的修改時(shí)鐘系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)化的方法都是從軟件層面著手，這方面己獲得較大進(jìn)展，但是從時(shí)鐘系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析并開(kāi)展實(shí)時(shí)化工作也是一個(gè)值得注意的方向。本文利用先進(jìn)的APIC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度時(shí)鐘系統(tǒng)，提供了高精度的中斷響應(yīng)，從而以較少的改動(dòng)獲得較高的實(shí)時(shí)性。
APIC以總線頻率工作，可立即執(zhí)行所有的定時(shí)器操作，目前x86都有片內(nèi)APIC，用戶可在單CPU內(nèi)使用APIC。APIC除了能提供高精度的時(shí)鐘外還具有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，是由于它位于片內(nèi)，對(duì)其編程只需幾個(gè)CPU指令周期，而對(duì)IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令。
在100MHz的CPU系統(tǒng)中，處理一個(gè)中斷的時(shí)間不到10μs，因此高速CPU完全可在更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的APIC中斷。理論上APIC可實(shí)現(xiàn)10 ns左右的系統(tǒng)時(shí)鐘，但實(shí)際上在處理中斷時(shí)要耗費(fèi)一些時(shí)間，因此中斷的響應(yīng)時(shí)間要大于10 ns。
APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt，該函數(shù)包括Irq_enter()，Run_realtimer_queue()和irq_exit()，其中函數(shù)irq_ exit通常負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前是否有8254產(chǎn)生的軟中斷存在，如果存在，就會(huì)觸發(fā)8254軟中斷，這樣會(huì)造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改irq_exit，在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程進(jìn)行排序，使APIC硬中斷的優(yōu)先級(jí)高于軟中斷，此時(shí)硬中斷線程得到優(yōu)先處理，從而提高內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能。Irp_exit函數(shù)的核心代碼如下：