嵌入式Linux實(shí)時(shí)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(yīng)用。主流內(nèi)核實(shí)時(shí)性能不斷增強(qiáng)，但在工業(yè)控制等特定場合仍無法滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求。本文分析了Linux內(nèi)核時(shí)延和實(shí)時(shí)化主流技術(shù)，對實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核技術(shù)進(jìn)行了分析和評測。
關(guān)鍵詞：Linux內(nèi)核延遲分析；內(nèi)核實(shí)時(shí)化技術(shù)；實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核分析；Linux實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)多媒體處理、工業(yè)控制、汽車電子等特定應(yīng)用對Linux提出了強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求[1]。Linux提供了一些實(shí)時(shí)擴(kuò)展，但需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造。本文針對嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論，如Linux內(nèi)核時(shí)延，實(shí)時(shí)化主流技術(shù)方案及其評價(jià)等。

Linux內(nèi)核時(shí)延

　　主流Linux雖然部分滿足POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，但還不完全是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為：

　　* 任務(wù)調(diào)度與內(nèi)核搶占

　　2.6版本內(nèi)核添加了許多搶占點(diǎn)，使進(jìn)程執(zhí)行在內(nèi)核代碼時(shí)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(hù)臨界區(qū)。但此時(shí)如果有低優(yōu)先級進(jìn)程在臨界區(qū)中執(zhí)行，高優(yōu)先級進(jìn)程即使不訪問低優(yōu)先級所保護(hù)的臨界區(qū)，也必須等待低優(yōu)先級進(jìn)程退出臨界區(qū)。

　　* 中斷延遲

　　在主流Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)被阻塞的最長時(shí)間不確定。而且，由于內(nèi)核為保護(hù)臨界區(qū)需要關(guān)閉中斷，更加增長了高優(yōu)先級任務(wù)阻塞時(shí)間。

　　* 時(shí)鐘精度

　　Linux通過硬件時(shí)鐘編程來產(chǎn)生毫秒級周期性時(shí)鐘中斷進(jìn)行內(nèi)核時(shí)間管理，無法滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)較高精度的調(diào)度要求。內(nèi)核定時(shí)器精度同樣也受限于時(shí)鐘中斷，無法滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高精度定時(shí)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(qiáng)內(nèi)核性能和減少內(nèi)存消耗，Linux僅在需要時(shí)裝載程序地址空間相應(yīng)的內(nèi)存頁。當(dāng)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(cuò)誤（Page-Fault）觸發(fā)頁面裝載，造成實(shí)時(shí)進(jìn)程響應(yīng)時(shí)間不確定。

Linux實(shí)時(shí)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(chǔ)上，Linux采用了下列兩類實(shí)時(shí)化技術(shù)。

　　* 雙內(nèi)核方式

　　Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化雙內(nèi)核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RT-Linux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持底層任務(wù)管理、中斷服務(wù)例程、底層任務(wù)通信隊(duì)列等。普通Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級任務(wù)，Linux下的任務(wù)通過FIFO命名管道和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行通信，如圖1所示。

圖1 雙內(nèi)核架構(gòu)的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

　　當(dāng)Linux要關(guān)閉中斷時(shí)，實(shí)時(shí)微內(nèi)核會截取并記錄這個(gè)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(yīng)延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時(shí)鐘精度。RTAI類似RTLinux的實(shí)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(gè)實(shí)時(shí)硬件抽象層（RTHAL)，使其實(shí)時(shí)任務(wù)能在任何時(shí)刻中斷普通Linux任務(wù)，兩者之間通過非阻塞隊(duì)列進(jìn)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(chǔ)，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(yīng)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(xiàng)目[12]。

　　* 內(nèi)核補(bǔ)丁方式

　　雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案下，實(shí)時(shí)任務(wù)需要按照微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的另外一套API進(jìn)行設(shè)計(jì)。而內(nèi)核補(bǔ)丁方式則不改變Linux的API，原有應(yīng)用程序可在實(shí)時(shí)化后的操作系統(tǒng)上運(yùn)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(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁內(nèi)核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個(gè)基于普通Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過正常態(tài)、實(shí)時(shí)態(tài)和混合態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的劃分。RED-Linux通過任務(wù)多種屬性和調(diào)度程序，可以實(shí)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(diǎn)，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補(bǔ)丁以及可搶占內(nèi)核補(bǔ)丁基礎(chǔ)上[4]，通過開發(fā)內(nèi)核O(1)實(shí)時(shí)調(diào)度程序并對可搶占內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)和測試，Linux 2.4內(nèi)核時(shí)代MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實(shí)時(shí)性上有較強(qiáng)的優(yōu)勢。TimeSys Linux通過內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時(shí)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(xiàng)。分別適合于計(jì)算型任務(wù)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(shí)時(shí)Linux計(jì)劃，推進(jìn)了Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化進(jìn)程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁，并逐漸成為Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補(bǔ)充，本文后續(xù)內(nèi)容這要涉及實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁。

Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)及評價(jià)

　　2.6版本Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性能有一定增強(qiáng)，雙內(nèi)核方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)也在不斷發(fā)展中。原來由FSMLab維護(hù)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(hù)、bug較難調(diào)試等原因，許多開發(fā)者加入了Xenomai項(xiàng)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(hù)，開發(fā)模式較活躍。

　　內(nèi)核補(bǔ)丁方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)在2.6版內(nèi)核基礎(chǔ)上做了大量改進(jìn)，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(hù)臨界區(qū)從一千多個(gè)減少到幾十個(gè)，使得內(nèi)核實(shí)時(shí)性得到極大的提高，獲得社區(qū)廣泛支持并逐漸成為Linux實(shí)時(shí)化主流技術(shù)。

Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核補(bǔ)丁針對Linux各種延遲進(jìn)行了實(shí)時(shí)化改進(jìn)[5]，主要包括了幾個(gè)方面的技術(shù)。

　　* 實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核

　　為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)核完全可搶占，實(shí)時(shí)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(jìn)行保護(hù)，使得在臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行也可被搶占。只有當(dāng)線程想訪問一個(gè)其他線程正在訪問的臨界區(qū)時(shí)，才被調(diào)度至睡眠，直到所保護(hù)的臨界區(qū)被釋放時(shí)被喚醒。

　　在實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中通過優(yōu)先級繼承機(jī)制（PI）在線程被一個(gè)低優(yōu)先級線程所持有的資源阻塞時(shí)，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(jī)制帶來內(nèi)核性能提升

　　實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)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(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁通過mutex替代semaphore，避免了不必要的時(shí)間負(fù)載。實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁實(shí)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(yù)測性，提高了性能。

　　* 中斷線程化

　　實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁通過內(nèi)核線程來實(shí)現(xiàn)一些硬件中斷和軟件中斷的服務(wù)程序。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)處理代碼設(shè)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(jìn)行中斷服務(wù)處理。在實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中，用戶線程優(yōu)先級可以高于設(shè)備中斷服務(wù)線程。實(shí)時(shí)任務(wù)無需等待設(shè)備驅(qū)動處理程序執(zhí)行，減小了實(shí)時(shí)搶占延遲。

　　* 時(shí)鐘系統(tǒng)改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核的時(shí)鐘系統(tǒng)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度定時(shí)器[6]。時(shí)鐘精度不再依賴jiffies，使POSIX定時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的精確時(shí)間值。

　　* 其他改進(jìn)

　　Linux在用戶層支持性能良好的futex，實(shí)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(shí)進(jìn)入內(nèi)核，提高了應(yīng)用程序性能。此外，實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)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(shí)時(shí)Trace支持（ Ftrace）等支持。

　　現(xiàn)階段實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁技術(shù)支持情況


實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核延遲

　　現(xiàn)階段，實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁技術(shù)仍處于完善過程中，其表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)不足。

　　* 中斷延遲

　　即使不發(fā)生中斷線程搶占，實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核相對原來中斷服務(wù)機(jī)制額外增加一對上下文切換時(shí)間，用于喚醒中斷服務(wù)線程執(zhí)行和進(jìn)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(hù)的臨界區(qū)，需要計(jì)算這些鎖造成的中斷延遲。

　　* 任務(wù)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(jī)制用于控制任務(wù)和中斷對臨界區(qū)的訪問所造成的，特別是實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中為了避免優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)增加的鎖機(jī)制帶來了額外時(shí)間負(fù)載。

　　* 內(nèi)核模塊其他延遲

　　在實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁中，內(nèi)存管理模塊還需減少頁表錯(cuò)誤引起的延遲，降低mlockall內(nèi)存鎖存造成的性能降級影響。實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中高精度定時(shí)器的使用導(dǎo)致了額外定時(shí)器管理時(shí)間負(fù)載。此外，內(nèi)核中一些驅(qū)動程序需要針對實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化來提高實(shí)時(shí)響應(yīng)。軟浮點(diǎn)處理和軟浮點(diǎn)內(nèi)核仿真需要和實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁兼容，能耗管理子系統(tǒng)還需要具備實(shí)時(shí)系統(tǒng)感知能力。
實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核性能測試

　　本文在Intel Pentium M 1.7 GHz處理器上進(jìn)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(shí)時(shí)補(bǔ)??；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(shí)時(shí)搶占補(bǔ)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(shí)間。在100%負(fù)載情況下，十萬采樣點(diǎn)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(shí)時(shí)搶占內(nèi)核中斷關(guān)閉延遲分布

　　* 任務(wù)搶占延遲

　　內(nèi)核搶占關(guān)閉時(shí)間采用實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁所支持的內(nèi)核搶占關(guān)閉測量工具測量。實(shí)時(shí)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(wù)搶占關(guān)閉時(shí)間分布


　　實(shí)時(shí)應(yīng)用中周期性任務(wù)需要能在確定的時(shí)間內(nèi)得到執(zhí)行。實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核和普通內(nèi)核下的周期性任務(wù)延遲對比中可以看出實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核提供了實(shí)時(shí)任務(wù)的精確執(zhí)行，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核和普通內(nèi)核下周期性任務(wù)調(diào)度延遲對比

結(jié)語

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

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