嵌入式Linux實時化技術(shù)

摘要：Linux已經(jīng)被移植到多種嵌入式處理器，并得到廣泛應用。主流內(nèi)核實時性能不斷增強，但在工業(yè)控制等特定場合仍無法滿足強實時性需求。本文分析了Linux內(nèi)核時延和實時化主流技術(shù)，對實時搶占內(nèi)核技術(shù)進行了分析和評測。
關(guān)鍵詞：Linux內(nèi)核延遲分析；內(nèi)核實時化技術(shù)；實時搶占內(nèi)核分析；Linux實時性

引言

　　Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關(guān)鍵性場合。其中實時多媒體處理、工業(yè)控制、汽車電子等特定應用對Linux提出了強實時性需求[1]。Linux提供了一些實時擴展，但需要進行實時性改造。本文針對嵌入式Linux實時化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問題進行了討論，如Linux內(nèi)核時延，實時化主流技術(shù)方案及其評價等。

Linux內(nèi)核時延

　　主流Linux雖然部分滿足POSIX 1003.1b實時擴展標準，但還不完全是一個實時操作系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為：

　　* 任務調(diào)度與內(nèi)核搶占

　　2.6版本內(nèi)核添加了許多搶占點，使進程執(zhí)行在內(nèi)核代碼時也可被搶占。為支持內(nèi)核代碼可搶占，在2.6版內(nèi)核中通過采用禁用中斷的自旋鎖來保護臨界區(qū)。但此時如果有低優(yōu)先級進程在臨界區(qū)中執(zhí)行，高優(yōu)先級進程即使不訪問低優(yōu)先級所保護的臨界區(qū)，也必須等待低優(yōu)先級進程退出臨界區(qū)。

　　* 中斷延遲

　　在主流Linux內(nèi)核設計中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務，使高優(yōu)先級任務被阻塞的最長時間不確定。而且，由于內(nèi)核為保護臨界區(qū)需要關(guān)閉中斷，更加增長了高優(yōu)先級任務阻塞時間。

　　* 時鐘精度

　　Linux通過硬件時鐘編程來產(chǎn)生毫秒級周期性時鐘中斷進行內(nèi)核時間管理，無法滿足實時系統(tǒng)較高精度的調(diào)度要求。內(nèi)核定時器精度同樣也受限于時鐘中斷，無法滿足實時系統(tǒng)的高精度定時需求。

　　* 其他延遲

　　此外，Linux內(nèi)核其他子系統(tǒng)也存在多種延遲。比如為了增強內(nèi)核性能和減少內(nèi)存消耗，Linux僅在需要時裝載程序地址空間相應的內(nèi)存頁。當被存取內(nèi)容（如代碼）不在RAM中則內(nèi)存管理單元（MMU）將產(chǎn)生頁表錯誤（Page-Fault）觸發(fā)頁面裝載，造成實時進程響應時間不確定。

Linux實時化技術(shù)發(fā)展

　　主流Linux內(nèi)核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內(nèi)核無搶占支持，直到2.6版本的Linux內(nèi)核才支持可搶占內(nèi)核，支持臨界區(qū)外的內(nèi)核搶占和可搶占的大內(nèi)核鎖。在此基礎上，Linux采用了下列兩類實時化技術(shù)。

　　* 雙內(nèi)核方式

　　Linux內(nèi)核實時化雙內(nèi)核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RT-Linux實現(xiàn)了一個微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)支持底層任務管理、中斷服務例程、底層任務通信隊列等。普通Linux作為實時操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級任務，Linux下的任務通過FIFO命名管道和實時任務進行通信，如圖1所示。

圖1 雙內(nèi)核架構(gòu)的Linux實時化技術(shù)

　　當Linux要關(guān)閉中斷時，實時微內(nèi)核會截取并記錄這個請求，通過軟件來模擬中斷控制器，而沒有真正關(guān)閉硬件中斷，避免了由于關(guān)中斷所造成的響應延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實時時鐘設置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時鐘精度。RTAI類似RTLinux的實現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，形成一個實時硬件抽象層（RTHAL)，使其實時任務能在任何時刻中斷普通Linux任務，兩者之間通過非阻塞隊列進行通訊。RTAI將直接修改Linux內(nèi)核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內(nèi)核替代RTAI的硬件抽象層[11]。其特色還在于模仿了傳統(tǒng)RTOS的API接口，推動傳統(tǒng)RTOS應用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內(nèi)核的L4Linux等開源項目[12]。

　　* 內(nèi)核補丁方式

　　雙內(nèi)核實時方案下，實時任務需要按照微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)提供的另外一套API進行設計。而內(nèi)核補丁方式則不改變Linux的API，原有應用程序可在實時化后的操作系統(tǒng)上運行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista [2]、TimeSys 和Wind River Linux，以及現(xiàn)階段Ingo Monlnar等人開發(fā)的實時搶占補丁內(nèi)核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個基于普通Linux的實時操作系統(tǒng)。通過正常態(tài)、實時態(tài)和混合態(tài)進行實時和非實時任務的劃分。RED-Linux通過任務多種屬性和調(diào)度程序，可以實現(xiàn)多種調(diào)度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內(nèi)核插入了許多搶占點，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補丁以及可搶占內(nèi)核補丁基礎上[4]，通過開發(fā)內(nèi)核O(1)實時調(diào)度程序并對可搶占內(nèi)核進行了改進和測試，Linux 2.4內(nèi)核時代MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實時性上有較強的優(yōu)勢。TimeSys Linux通過內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時鐘、優(yōu)先級繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內(nèi)核吸收了以上技術(shù)，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項。分別適合于計算型任務系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對2.6內(nèi)核MontaVista推出了實時Linux計劃，推進了Linux內(nèi)核實時化進程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實時搶占補丁，并逐漸成為Linux內(nèi)核實時主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補充，本文后續(xù)內(nèi)容這要涉及實時搶占補丁。

Linux實時化技術(shù)及評價

　　2.6版本Linux內(nèi)核實時性能有一定增強，雙內(nèi)核方式的Linux實時化技術(shù)也在不斷發(fā)展中。原來由FSMLab維護的RTLinux，其版權(quán)在2007年2月被Wind River購買，先對在開源社區(qū)就不很活躍，RTAI支持x386等體系結(jié)構(gòu)，但由于其代碼較難維護、bug較難調(diào)試等原因，許多開發(fā)者加入了Xenomai項目。Xenomai支持最新2.6版 Linux，相比之下代碼相對穩(wěn)定和可維護，開發(fā)模式較活躍。

　　內(nèi)核補丁方式的Linux實時化技術(shù)在2.6版內(nèi)核基礎上做了大量改進，使得內(nèi)核中除了中斷關(guān)閉和IRQ線程分派、調(diào)度和上下文切換之外的絕大部分代碼都可以被搶占，不可搶占的自旋鎖保護臨界區(qū)從一千多個減少到幾十個，使得內(nèi)核實時性得到極大的提高，獲得社區(qū)廣泛支持并逐漸成為Linux實時化主流技術(shù)。

Linux內(nèi)核實時化改進

　　實時搶占內(nèi)核補丁針對Linux各種延遲進行了實時化改進[5]，主要包括了幾個方面的技術(shù)。

　　* 實時搶占內(nèi)核

　　為了實現(xiàn)內(nèi)核完全可搶占，實時內(nèi)核臨界區(qū)用高性能優(yōu)先級繼承mutex替換原來自旋鎖（spin-lock）來進行保護，使得在臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行也可被搶占。只有當線程想訪問一個其他線程正在訪問的臨界區(qū)時，才被調(diào)度至睡眠，直到所保護的臨界區(qū)被釋放時被喚醒。

　　在實時搶占內(nèi)核中通過優(yōu)先級繼承機制（PI）在線程被一個低優(yōu)先級線程所持有的資源阻塞時，低優(yōu)先級線程通過繼承被阻塞線程優(yōu)先級，盡快執(zhí)行并釋放所持資源而不被其他線程所搶占。

　　* 新型鎖機制帶來內(nèi)核性能提升

　　實時搶占補丁替換了大內(nèi)核鎖（BKL），將BKL從spin lock改成是mutex，持有BKL的線程也可以被搶占，減少了內(nèi)核調(diào)度延遲。此外，實時搶占補丁通過mutex替代semaphore，避免了不必要的時間負載。實時搶占補丁實現(xiàn)了可搶占的RCU（Read Copy Update）鎖和串行化讀寫鎖，保證了執(zhí)行可預測性，提高了性能。

　　* 中斷線程化

　　實時搶占補丁通過內(nèi)核線程來實現(xiàn)一些硬件中斷和軟件中斷的服務程序。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)處理代碼設置IRQ狀態(tài)、檢查線程化的中斷是否使能，并喚醒相關(guān)線程。在中斷線程被調(diào)度執(zhí)行后，進行中斷服務處理。在實時搶占內(nèi)核中，用戶線程優(yōu)先級可以高于設備中斷服務線程。實時任務無需等待設備驅(qū)動處理程序執(zhí)行，減小了實時搶占延遲。

　　* 時鐘系統(tǒng)改進

　　實時搶占內(nèi)核的時鐘系統(tǒng)重新進行了設計，實現(xiàn)了高精度定時器[6]。時鐘精度不再依賴jiffies，使POSIX定時器和nanosleep精度由具體硬件所能提供的精度決定，使得gettimeofday能夠提供實時系統(tǒng)所需的精確時間值。

　　* 其他改進

　　Linux在用戶層支持性能良好的futex，實現(xiàn)原理類似于內(nèi)核優(yōu)先級繼承mutex，僅在產(chǎn)生競態(tài)時進入內(nèi)核，提高了應用程序性能。此外，實時搶占補丁內(nèi)核還提供mutex死鎖檢測、延遲跟蹤與測量、中斷關(guān)閉跟蹤與延遲測量、搶占延遲測量等內(nèi)核調(diào)試與診斷、內(nèi)核性能測量與調(diào)優(yōu)等工具、實時Trace支持（ Ftrace）等支持。

　　現(xiàn)階段實時化技術(shù)在各體系結(jié)構(gòu)上逐漸得到了支持，如表1所示。

表1 Linux實時搶占補丁技術(shù)支持情況


實時搶占內(nèi)核延遲

　　現(xiàn)階段，實時搶占補丁技術(shù)仍處于完善過程中，其表現(xiàn)在以下幾點不足。

　　* 中斷延遲

　　即使不發(fā)生中斷線程搶占，實時搶占內(nèi)核相對原來中斷服務機制額外增加一對上下文切換時間，用于喚醒中斷服務線程執(zhí)行和進入睡眠狀態(tài)。此外，內(nèi)核中還存在少量用raw_spinlock鎖禁用中斷來保護的臨界區(qū)，需要計算這些鎖造成的中斷延遲。

　　* 任務搶占延遲

　　內(nèi)核搶占延遲主要是由于在內(nèi)核中使用各種鎖機制用于控制任務和中斷對臨界區(qū)的訪問所造成的，特別是實時搶占內(nèi)核中為了避免優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)增加的鎖機制帶來了額外時間負載。

　　* 內(nèi)核模塊其他延遲

　　在實時搶占補丁中，內(nèi)存管理模塊還需減少頁表錯誤引起的延遲，降低mlockall內(nèi)存鎖存造成的性能降級影響。實時搶占內(nèi)核中高精度定時器的使用導致了額外定時器管理時間負載。此外，內(nèi)核中一些驅(qū)動程序需要針對實時應用進行優(yōu)化來提高實時響應。軟浮點處理和軟浮點內(nèi)核仿真需要和實時搶占補丁兼容，能耗管理子系統(tǒng)還需要具備實時系統(tǒng)感知能力。
實時搶占內(nèi)核性能測試

　　本文在Intel Pentium M 1.7 GHz處理器上進行了測試。測試環(huán)境包括：Linux內(nèi)核2.6.25.8最小配置；patch-2.6.25.8-rt7實時補??；libc 2.5+和busybox-1.10.0構(gòu)建initrdfs方式的根文件系統(tǒng)。

　　* 中斷延遲

　　采用實時搶占補丁支持的內(nèi)核中斷延遲測量工具測量中斷關(guān)閉（IRQ OFF）時間。在100%負載情況下，十萬采樣點中，最大值在31 us左右，絕大多數(shù)在1 us左右，如圖2所示。

圖2 實時搶占內(nèi)核中斷關(guān)閉延遲分布

　　* 任務搶占延遲

　　內(nèi)核搶占關(guān)閉時間采用實時搶占補丁所支持的內(nèi)核搶占關(guān)閉測量工具測量。實時搶占內(nèi)核和普通Linux內(nèi)核情況比較如表2所示。

表2 內(nèi)核任務搶占關(guān)閉時間分布


　　實時應用中周期性任務需要能在確定的時間內(nèi)得到執(zhí)行。實時搶占內(nèi)核和普通內(nèi)核下的周期性任務延遲對比中可以看出實時搶占內(nèi)核提供了實時任務的精確執(zhí)行，如圖3所示。

圖3 實時搶占內(nèi)核和普通內(nèi)核下周期性任務調(diào)度延遲對比

結(jié)語

　　嵌入式應用對Linux實時性要求越來越多，主流內(nèi)核逐漸加入實時化技術(shù)，最終將為實時應用提供完美解決方案。本文綜述了Linux內(nèi)核時延，介紹了Linux內(nèi)核實時化發(fā)展，分析了內(nèi)核實時化主流技術(shù)，并分析了實時化技術(shù)不足之處，為更好地理解Linux實時化技術(shù)提供了參考。

參考文獻：

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