應(yīng)用中的嵌入式Linux實(shí)時(shí)優(yōu)化技巧

　　嵌入式系統(tǒng)是在有限的空間和有限的資源中運(yùn)行，高效地實(shí)現(xiàn)某種特定功能或功能集合的裝置。

　　它的開(kāi)發(fā)通常受到很多客觀條件的限制，諸如較弱的CPU處理能力、較小的內(nèi)存空間、較少的可供選擇的外設(shè)、有限的電源供應(yīng)等。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)無(wú)不是精打細(xì)算，以求用有限的資源發(fā)揮最大的功效。在各種嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux以其免費(fèi)、高可靠性、廣泛的硬件支持以及開(kāi)放源碼等眾多特性正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注。其源碼開(kāi)放特性使得開(kāi)發(fā)者可以針對(duì)特定的嵌入式系統(tǒng)對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，以滿足開(kāi)發(fā)要求，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化的目的。嵌入式Linux應(yīng)用中的一大問(wèn)題是Linux的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件作出正確響應(yīng)，重點(diǎn)放在對(duì)滿足突發(fā)性、暫時(shí)性的處理需求上。而Linux作為傳統(tǒng)的分時(shí)操作系統(tǒng)，關(guān)注更多的是系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)吞吐量。如何提高Linux的實(shí)時(shí)性能是擺在廣大嵌入式系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)人員面前的挑戰(zhàn)。

　　1 相關(guān)研究

　　目前市面上有各種Linux發(fā)行版，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，Linux指的是Linus Torvalds維護(hù)的(及通過(guò)主要和鏡像網(wǎng)站發(fā)布的)內(nèi)核。建立嵌入式系統(tǒng)不需要特別的內(nèi)核，一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)只是代表一個(gè)基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，本文后面提及的Linux均指Linux內(nèi)核。目前已有很多改善Linux實(shí)時(shí)性能的工作在進(jìn)行中。最新的2.6版Linux已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可搶占式的內(nèi)核任務(wù)調(diào)度，但是不確定的中斷延時(shí)問(wèn)題沒(méi)有得到解決。即2.6版的Linux高優(yōu)先級(jí)內(nèi)核空間進(jìn)程雖然能像在用戶空間里那樣搶占低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的系統(tǒng)資源，但是從中斷發(fā)出開(kāi)始到中斷服務(wù)程序的第1條指令開(kāi)始執(zhí)行的時(shí)間是不確定的。

　　除了Linux開(kāi)發(fā)者的改進(jìn)工作之外，還有一些組織、公司為提高Linux的實(shí)時(shí)性做了大量工作。其中有代表性的是Fsm Labs公司的RT-Linux、Monta Vista公司的MontaVista Linux、由Paolo Mantegazza等人維護(hù)的RTAI(Realtime Application InteRFace)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目采用的方法可歸納為兩類(lèi)：

　　(1)直接修改Linux內(nèi)核。MontaVista Linux采用的就是這種方法。它將Linux修改成稱(chēng)為Relatively Fully Preemptable Kernel的可搶占式內(nèi)核，并使現(xiàn)了實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制和算法，增加了一個(gè)細(xì)粒度定時(shí)器，這樣就將Linux修改成為一個(gè)軟實(shí)時(shí)內(nèi)核。

　　(2)“雙內(nèi)核”方式。RTAI項(xiàng)目和RT-Linux采用了這種方法。這種方法將傳統(tǒng)Linux“架空”，作為新增加的小型實(shí)時(shí)內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)執(zhí)行，而實(shí)時(shí)任務(wù)則作為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。即在實(shí)時(shí)任務(wù)存在的情況下運(yùn)行實(shí)施任務(wù)，否則才運(yùn)行Linux本身的任務(wù)。

　　MontaVista和RT-Linux的局限性在于它是一個(gè)商用軟件，不遵循GNU 的源代碼開(kāi)放原則。若要在系統(tǒng)中使用這種Linux，則需要支付一筆頗為可觀的授權(quán)費(fèi)用，這就違背了使用Linux的初衷—— 開(kāi)源、免費(fèi)，能夠發(fā)展自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　RTAI為了實(shí)時(shí)性能舍棄了Linux固有的很多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)大量硬件的廣泛支持，優(yōu)秀的穩(wěn)定性、可靠性。開(kāi)發(fā)者一方面要針對(duì)RTAI自定義的一個(gè)硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abstraction Layer)重新編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，而且龐大的Linux開(kāi)發(fā)社區(qū)的成果也無(wú)法方便地應(yīng)用到實(shí)時(shí)核心中。

　　2 影響Linux實(shí)時(shí)性的因素

　　2.1 任務(wù)切換及其延時(shí)

　　任務(wù)切換延時(shí)是Linux從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程所需的時(shí)間，即高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程從發(fā)出CPU 資源申請(qǐng)到進(jìn)程的第1條指令開(kāi)始執(zhí)行的間隔。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)切換延時(shí)必須越短越好。如之前所提到的，Linux 2.6.X已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可搶占式內(nèi)核，高優(yōu)先級(jí)內(nèi)核空間進(jìn)程可以像在用戶空間中那樣讓CPU在任何時(shí)候停止低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程轉(zhuǎn)而執(zhí)行自己。但是有2種例外情況：

　　(1)進(jìn)程在臨界區(qū)(Critical Section)中執(zhí)行的時(shí)候不能被其他進(jìn)程搶占；

　　(2)中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine)不能被其他進(jìn)程搶占。

　　2.2 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法

　　在Linux 2.6中，采用了O(1)調(diào)度算法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶先式調(diào)度器，為每一個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)，調(diào)度器保證在所有等待運(yùn)行的任務(wù)中，首先被執(zhí)行的總是高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，為此高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

　　這個(gè)調(diào)度器開(kāi)銷(xiāo)恒定，與當(dāng)前系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)無(wú)關(guān)，能夠改善系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。但是調(diào)度系統(tǒng)沒(méi)有提供除CPU以外的其他資源剝奪運(yùn)行，實(shí)時(shí)性能沒(méi)有得到根本改觀。如果兩個(gè)任務(wù)需要使用同一個(gè)資源(如高速緩存)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)已準(zhǔn)備就緒，而此刻低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)正在用這個(gè)資源，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就必須等待，直到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)結(jié)束釋放了該資源后才能被執(zhí)行，這被稱(chēng)為優(yōu)先級(jí)倒置。


　　2.3 中斷延時(shí)、中斷服務(wù)程序

　　中斷延時(shí)指的是從外設(shè)發(fā)出中斷信號(hào)開(kāi)始到ISR的第1條指令開(kāi)始執(zhí)行的時(shí)間間隔。由外部中斷引起的實(shí)時(shí)任務(wù)需求是實(shí)時(shí)系統(tǒng)處理量的主要組成部分，足夠快地中斷響應(yīng)和迅速地中斷服務(wù)程序處理是衡量實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。不同的ISR執(zhí)行時(shí)間是不一樣的，即使是相同的ISR也可能因?yàn)橛卸鄠€(gè)出口而有不同的執(zhí)行時(shí)間。而ISR執(zhí)行時(shí)外部中斷是被禁用的，造成這樣一種情況，即使Linux的中斷延時(shí)非常小，如果在一個(gè)ISR執(zhí)行時(shí)某個(gè)外設(shè)也產(chǎn)生了一個(gè)中斷信號(hào)，因?yàn)檎趫?zhí)行的ISR運(yùn)行時(shí)間的不確定性和不可搶占性，也會(huì)產(chǎn)生Linux的中斷延時(shí)的不可預(yù)測(cè)性。

　　3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的提高

　　3.1 任務(wù)切換機(jī)倒的建立

　　在2.1節(jié)中提到進(jìn)程在臨界區(qū)中執(zhí)行的時(shí)候不能被搶占的問(wèn)題，為了不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、減少調(diào)試和測(cè)試的時(shí)間，我們不打算對(duì)此進(jìn)行修改，而引入一個(gè)機(jī)制保證實(shí)時(shí)任務(wù)能夠得到優(yōu)先執(zhí)行。即在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，只有當(dāng)進(jìn)程的臨界區(qū)能在下一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)開(kāi)始之前結(jié)束才被允許進(jìn)入。

　　如何判斷下一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)中斷信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)中斷信號(hào)是為了那些開(kāi)始時(shí)間不可預(yù)測(cè)的任務(wù)而設(shè)定的，它的產(chǎn)生是完全隨機(jī)的。為了使中斷信號(hào)的時(shí)間能夠被預(yù)測(cè)，將中斷信號(hào)的產(chǎn)生與時(shí)鐘中斷掛鉤：中斷信號(hào)只能與時(shí)鐘中斷同時(shí)產(chǎn)生。時(shí)鐘中斷由系統(tǒng)計(jì)時(shí)硬件以周期性間隔產(chǎn)生。這個(gè)間隔由內(nèi)核根據(jù)Hz值設(shè)定。Hz是一個(gè)與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，在文件中定義。當(dāng)前的Linux為大多數(shù)平臺(tái)定義的Hz值是100，亦即時(shí)鐘中斷周期是10ms。顯然這是達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)定時(shí)精度要求的。提高Hz值能夠帶來(lái)系統(tǒng)性能提升，但卻是以增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)。這就必須仔細(xì)權(quán)衡實(shí)時(shí)性要求和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的平衡。一種方法是通過(guò)大量的測(cè)試確定的實(shí)時(shí)任務(wù)中斷請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)間間隔和進(jìn)程在臨界區(qū)中的執(zhí)行時(shí)間，取一個(gè)稍大于大多數(shù)實(shí)時(shí)任務(wù)中斷間隔和臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)間的數(shù)值。

　　Linux提供了一些機(jī)制讓我們得以計(jì)算函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，gettimefoday()函數(shù)是其中之一。函數(shù)的原型及需要使用的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：



　　其中，gettimeofday()將當(dāng)前時(shí)間保存在tv結(jié)構(gòu)中，tz一般不需要用到，可用NULL代替。使用示例如下：



　　如此即可得出進(jìn)程在臨界區(qū)function_in_critical_section()所耗費(fèi)的時(shí)間，以供參考。將Hz值設(shè)定在2000，此時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷周期為0.5ms，精度提高了20倍。

　　如圖1、圖2所示，當(dāng)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)之前，它比較自身的平均執(zhí)行時(shí)間T(NP)和T(REMAIN)的值，當(dāng)T(NP)≤T(REMAIN)的時(shí)候，進(jìn)程才被允許進(jìn)入臨界區(qū)，否則進(jìn)程進(jìn)入工作隊(duì)列等待下一次判斷。



　　本文嘗試用數(shù)學(xué)方法來(lái)分析采用這種機(jī)制對(duì)實(shí)時(shí)性能的提高。首先給出一個(gè)定義：當(dāng)預(yù)定在時(shí)刻t時(shí)執(zhí)行的實(shí)時(shí)任務(wù)推遲到時(shí)刻t'時(shí)才執(zhí)行，則t'-t稱(chēng)作系統(tǒng)延遲，用Lat(OS)表示。在普通Linux中，Lat(OS)如下：

Lat(OS)=T(NP)+ T(SHED)

　　設(shè)任意時(shí)刻 ，T(NP)≤T(REMAIN)的機(jī)率為ρ，則普通Linux中的平均Lat(OS)為

AvLat(OS)=ρ[T(NP)+ T(SHED)] +(1-ρ)[T(NP)+ 2T(SHED)]

　　引入前述機(jī)制后，由于總是優(yōu)先保證實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行，Lat(RT-OS)固定式為：

Lat(RT-OS)=T(SHED)

　　采用該機(jī)制前后系統(tǒng)廷遲的變化為

δ=AvLat(NOR-OS)-Lat(RT-OS)=T(NP)+(2-ρ)T(SHED)

　　在一個(gè)特定系統(tǒng)里，ρ是固定的，而在Linux 2.6中，采用O(1)算法后T(SHED)也是固定的，由前式可得出結(jié)論：在臨界區(qū)的進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的系統(tǒng)中，引入該機(jī)制前后平均系統(tǒng)廷遲下降的越大，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的改善越明顯。

　　3.2 優(yōu)先級(jí)量頂

　　試描述一個(gè)如下場(chǎng)景：低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)L和高優(yōu)先級(jí)H任務(wù)需要占用同一共享資源，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)開(kāi)始后不久，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)也準(zhǔn)備就緒，發(fā)現(xiàn)所需共享資源被占用后，任務(wù)H被掛起，等待任務(wù)L結(jié)束釋放該資源。此時(shí)一個(gè)不需要該資源的中優(yōu)先級(jí)任務(wù)M 出現(xiàn)，調(diào)度器依據(jù)優(yōu)先原則轉(zhuǎn)而執(zhí)行任務(wù)M。這就進(jìn)一步廷長(zhǎng)了任務(wù)H的等待時(shí)間，如圖3所示。更加惡劣的情況是，如果出現(xiàn)了更多的類(lèi)似任務(wù)M0，M1，M2，...，將有可能使任務(wù)H錯(cuò)過(guò)臨界期限(Critical Deadline)，而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

　　在一個(gè)不太復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，可采用優(yōu)先級(jí)置頂?shù)姆椒ń鉀Q這一問(wèn)題。該方案對(duì)每一個(gè)可能被共享的資源分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，該優(yōu)先級(jí)為有可能使用這個(gè)資源的最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)(如下偽代碼中的RESOURCE_X_PRIO)。由調(diào)度器將優(yōu)先級(jí)傳給使用該資源的進(jìn)程，進(jìn)程結(jié)束后其自身的優(yōu)先級(jí)(如下偽代碼中的TASK_A_PRIO)才恢復(fù)正常。這樣就避免了上面場(chǎng)景中任務(wù)L被任務(wù)M搶占，而導(dǎo)致任務(wù)H始終處于掛起狀態(tài)。優(yōu)先級(jí)置頂?shù)氖纠a如下：



　3.3 內(nèi)核線程

　　中斷服務(wù)程序(ISR)是不能被搶占的。一旦CPU 開(kāi)始執(zhí)行ISR，除非程序結(jié)束，否則不可能轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他的任務(wù)。Linux用自旋鎖(Spinlock)來(lái)實(shí)現(xiàn)ISR對(duì)CPU的獨(dú)占。采用了自旋鎖的ISR是不能進(jìn)入休眠的，而且此時(shí)系統(tǒng)的中斷也被完全禁止。內(nèi)核線程是由內(nèi)核創(chuàng)建和撤銷(xiāo)的，用來(lái)執(zhí)行一個(gè)指定的函數(shù)。內(nèi)核線程具有自己的內(nèi)核堆棧，能夠被單獨(dú)調(diào)用。我們用內(nèi)核線程代替ISR，并且用互斥量(Mutex)替換自旋鎖。內(nèi)核線程能夠進(jìn)入休眠，而且執(zhí)行時(shí)是不禁用外部中斷的。系統(tǒng)接到中斷信號(hào)后，喚醒相應(yīng)的內(nèi)核線程，內(nèi)核線程代替原來(lái)的ISR執(zhí)行完任務(wù)后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。這樣中斷廷時(shí)就是可預(yù)測(cè)的，并且占用時(shí)間也很少。

　　根據(jù)LynuxWorks公司的測(cè)試數(shù)據(jù)，在Pentium III 1GHz的PC上，Linux 2.4內(nèi)核的平均任務(wù)響應(yīng)時(shí)間為1133us，平均中斷響應(yīng)時(shí)間為252us；而Linux 2.6內(nèi)核的平均響應(yīng)時(shí)間為132us，平均中斷響應(yīng)時(shí)間僅為14us，比Linux 2.4內(nèi)核提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，采用這種方法能夠針對(duì)具體的系統(tǒng)進(jìn)一步加快特定中斷的響應(yīng)時(shí)間，提高應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

　　4 總結(jié)與展望

　　本文以Linux 2.6為基礎(chǔ)探討了提高Linux實(shí)時(shí)性的方法。引入了在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，只有當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程能在下一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)開(kāi)始之前結(jié)束時(shí)才被允許執(zhí)行的機(jī)制，保證實(shí)時(shí)任務(wù)總是優(yōu)先得到執(zhí)行；采用了優(yōu)先級(jí)置頂?shù)姆椒ū苊饬顺霈F(xiàn)優(yōu)先級(jí)倒置的情況；用內(nèi)核線程代替中斷服務(wù)程序，改變了了一般中斷服務(wù)程序執(zhí)行中不能進(jìn)入休眠狀態(tài)的情況，并且執(zhí)行時(shí)不禁用外部中斷，使系統(tǒng)的中斷廷時(shí)變得短小和可預(yù)測(cè)。本文所述方法的缺點(diǎn)在于，提高系統(tǒng)時(shí)鐘中斷頻率帶會(huì)增大系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題。為了在實(shí)時(shí)性能提升和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)增大之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，開(kāi)發(fā)者不得不對(duì)具體系統(tǒng)做大量測(cè)試，具體問(wèn)題具體分析，使得該方法在適用性上打了折扣。Linux因其免費(fèi)、性能強(qiáng)大、工具眾多的特點(diǎn)，必將在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。我們應(yīng)該及時(shí)跟蹤國(guó)內(nèi)外Linux發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)積累在此領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，走出自己的路來(lái)。


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