嵌入式Linux下的實時性增強方案

摘 要： 分析了嵌入式Linux在實時性方面的不足，針對Linux2.6內核的中斷運行機制、內核不可搶占性、自旋鎖及大內核鎖等問題進行研究，提出相應的實時性改進方法。測試表明，改進后的嵌入式Linux實時性效果較好。

Linux以其功能強大、源代碼開放、支持多種硬件平臺、模塊化設計方案以及豐富的開發(fā)工具支持等特點廣泛應用在嵌入式系統(tǒng)領域。作為嵌入式產品的操作系統(tǒng)平臺，具有較好的實時性、系統(tǒng)可靠性、任務處理隨機性是系統(tǒng)追求的目標，目前商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)實時性能可以滿足嵌入式領域的需求，但由于其價格昂貴，應用受到了限制[1]。而嵌入式Linux以其非常低廉的價格，可以大大地降低成本，逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。但由于其在實時應用領域的技術障礙，要應用在嵌入式領域,還必須對Linux內核作必要的改進。本文以S3C2410+Linux作為移動機器人操作平臺,為了提高機器人任務處理的實時性，針對影響Linux OS實時性能的若干方面進行研究，并利用相應的解決方法基于標準Linux2.6內核加以實現(xiàn)，最后通過測試，驗證了此改進方法的效果。

1 Linux內核實時性分析

1.1 Linux內核制約實時性的因素

衡量操作系統(tǒng)實時性的指標主要有中斷延遲和搶占延遲。嵌入式系統(tǒng)中很多實時任務是靠中斷驅動的，中斷事件必須在限定的時限內處理，否則將產生災難性的后果。大多數(shù)實時系統(tǒng)都是處理一些周期性的或非周期性的重復事件，事件產生的頻度就確定了任務的執(zhí)行時限，因此每次事件發(fā)生時，相應的處理任務必須及時響應處理，否則將無法滿足時限[2]。搶占延遲就反映了系統(tǒng)的響應及時程度。針對Linux內核，中斷關閉及中斷優(yōu)先級執(zhí)行機制、內核不可搶占性、自旋鎖（spinlock）及大內核鎖及一些O(n)的任務調度算法影響了系統(tǒng)的實時性能。

1.2 現(xiàn)存增強Linux內核實時性的技術

多年來,Linux實時性改進技術的發(fā)展主要有兩種技術方案:(1)直接修改Linux內核。針對內核數(shù)據(jù)結構、調度函數(shù)、中斷方式進行改動，重新設計一個由優(yōu)先級驅動的實時調度器,替換原有Linux內核中的進程調度器sched.c。這一方案主要是針對中斷機制、任務調度算法進行改進的，較為成功的案例為Kansas大學開發(fā)的Kurt-Linux。Kurt提高了Linux系統(tǒng)中的實時精度，將時鐘芯片設置為單觸發(fā)狀態(tài)。對于實時任務的調度，Kurt-Linux采用基于時間的靜態(tài)實時CPU調度算法。實時任務在設計階段就需要明確地說明其實時事件要發(fā)生的時間。這種調度算法對于那些循環(huán)執(zhí)行的任務能夠取得較好的調度效果;(2)在Linux內核之外進行實時性擴展，添加一個實時內核。實時內核接管硬件所有中斷，并依據(jù)是否為實時任務給予響應。Fsm Labs公司開發(fā)的RTLinux就是依據(jù)這種策略開發(fā)設計的[3]。以上論述的兩種技術方案有其可借鑒之處，但如果綜合考慮任務響應、內核可搶占性、實時調度策略等都將影響操作系統(tǒng)的實時性能，因此，這兩種技術還不能很好地滿足實時性要求。為了增強嵌入式Linux實時性能，下面將介紹中斷機制、內核的搶占性以及大內核鎖等相關問題。

2 Linux實時性改進方法

Linux2.4及以前版本內核是不可搶占的,在Linux2.6中，內核已經(jīng)可以搶占，實時性有所增強。但是內核中仍然有不可搶占的區(qū)域，如自旋鎖spinlock保護的臨界區(qū)等。另外，影響內核實時性能的因素還有中斷運行機制、大內核鎖機制以及調度算法等。

2.1 中斷運行機制改進

在Linux標準內核中,中斷是最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元，硬件架構決定了硬件中斷到來的時候在該中斷沒有被屏蔽的條件下必須處理。不管內核當時處理什么，即便是Linux中最高優(yōu)先級的實時進程，只要有中斷發(fā)生，系統(tǒng)將立即響應該事件并執(zhí)行相應的中斷處理程序，這就大大削弱了Linux的實時性能。特別是系統(tǒng)有嚴重的網(wǎng)絡或I/O負載時，中斷將非常頻繁，實時任務將很難有機會運行，這對于Linux的實時應用來說是不可接受的。Linux采用的關中斷技術在關中斷區(qū)域使相應實時任務得不到響應，增加了實時任務的中斷延遲。Linux實時化后自旋鎖變?yōu)榛コ怄i的技術，但由于自旋鎖的中斷處理不能及時響應，降低了系統(tǒng)的實時性能。因此，借鑒Ingo Molnar實時補丁的實時化方法，采用中斷線程化技術改進中斷運行機制，中斷將作為內核線程運行而且賦予不同的實時優(yōu)先級，實時任務可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級，這樣，實時任務就可以作為最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元來運行了，即使在嚴重負載下仍有實時性保證。另一方面,中斷處理線程也可以因為在內核同步中得不到鎖而掛載到鎖的等待隊列中,很多關中斷就不必真正的禁止硬件中斷了，而是禁止內核進程搶占，從而減小了中斷延遲[4]。

在初始化階段，常規(guī)中斷初始化和中斷線程化的初始化在STart_kernel( )函數(shù)中都調用trap_init( )和init_IRQ( )兩個函數(shù)來初始化irq_desc_t結構體，區(qū)別主要體現(xiàn)在內核初始化創(chuàng)建init線程時，中斷線程化的中斷在init( )函數(shù)中還將調用init_hardirqs（kernel/irq/manage.c）來為每一個IRQ創(chuàng)建一個內核線程，最高實時優(yōu)先級為50，依次類推直到25。因此，任何IRQ線程的最低實時優(yōu)先級為25，具體實現(xiàn)是通過kthread_create函數(shù)創(chuàng)建的。功能實現(xiàn)等同于如下代碼：

void __init init_hardirqs(void)

{ ……

for (i = 0; i NR_IRQS; i++) {

//對于每一個中斷建立一個中斷線程

irq_desc_t *desc = irq_desc + i;

if(desc->actiON !(desc->status IRQ_NODELAY))

//有IRQ_NODELAY標志的中斷不允許線程化

desc->thread = kthread_create(do_irqd,

desc, IRQ %d, irq); //建立線程

……

}

}

static int do_irqd(void * __desc)

//分配中斷線程優(yōu)先級50~25

{ ……

/*Scale irq thread priorities from prio 50 to prio 25 */

param.sched_priority = curr_irq_prio;

if (param.sched_priority > 25)

curr_irq_prio = param.sched_priority - 1;

……

}