嵌入式Linux下的實(shí)時(shí)性增強(qiáng)方案
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時(shí)間：2011-01-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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在中斷處理階段當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),CPU調(diào)用do_IRQ( )函數(shù)來(lái)處理中斷，do_IRQ( )在做了必要的相關(guān)處理之后調(diào)用_do_IRQ( )。_do_IRQ( )主要功能為判斷該中斷是否已經(jīng)被線程化(核對(duì)終端描述符的狀態(tài)字段是否包含IRQ_NODELAY標(biāo)志)，對(duì)于沒(méi)有線程化的中斷，將直接調(diào)用 handle_IRQ_event( )函數(shù)來(lái)處理。功能實(shí)現(xiàn)等同于如下代碼：
fastcall notrace unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq,
struct pt_regs *regs)
{ ……
if (redirect_hardirq(desc))
//檢測(cè)是否為線程化中斷，若是則喚醒中斷線程
goto out_no_end;
……
action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, action);
//處理非線程化中斷
……
}
int redirect_hardirq(struct irq_desc *desc)
//檢測(cè)irq_desc結(jié)構(gòu)體，判斷是否線程化
{ ……
if (!hardirq_preemption || (desc->status IRQ_
NODELAY) || !desc->thread)
return 0;
……
if (desc->thread desc->thread->state != TASK_
RUNNING)
wake_up_process(desc->thread);
……
}
針對(duì)已線程化的情況，調(diào)用wake_up_process( )函數(shù)喚醒中斷處理線程執(zhí)行，內(nèi)核線程將調(diào)用do_hardirq( )來(lái)處理相應(yīng)的中斷。具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)handle_IRQ_event( )函數(shù)直接調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)完成的。對(duì)于緊急的中斷(如時(shí)鐘中斷),內(nèi)核保持原來(lái)的中斷處理方式，而不為其創(chuàng)建中斷線程，這樣就保證了緊急中斷的快速響應(yīng)。
2.2 內(nèi)核可搶占性設(shè)計(jì)
在Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核中，因不具有可搶占性和導(dǎo)致較大的延遲，增加內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力。當(dāng)前修改Linux內(nèi)核提高實(shí)時(shí)性的方法主要有增加搶占點(diǎn)和改造成搶占式內(nèi)核兩種方法。增加搶占點(diǎn)方法是在內(nèi)核中插入搶占點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)搶占點(diǎn)調(diào)度標(biāo)志來(lái)決定是否進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度。采用這種方法，在檢測(cè)搶占點(diǎn)標(biāo)志時(shí)大大增加了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，因此本方案采用直接改造Linux內(nèi)核的方法，通過(guò)修改自旋鎖為互斥鎖來(lái)提高內(nèi)核的可搶占性 [5]。即借鑒Ingo Molnar的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的實(shí)時(shí)化方法，使用mutex互斥鎖來(lái)替換spinlock自旋鎖。使用mutex替換spinlock，可以讓spinlock 可搶占。起初spinlock不可搶占性設(shè)計(jì)目的是避免死鎖，可搶占性設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)者與保持者的死鎖局面。中斷處理函數(shù)中也可以使用 spinlock，如果spinlock已經(jīng)被某一進(jìn)程保持，則中斷處理函數(shù)無(wú)法進(jìn)行，從而形成死鎖。中斷線程化以后，中斷線程將掛在等待隊(duì)列上并放棄 CPU讓別的線程或進(jìn)程來(lái)運(yùn)行,讓每個(gè)spinlock都有一個(gè)等待隊(duì)列，該等待隊(duì)列按進(jìn)程或線程優(yōu)先級(jí)排隊(duì),如果一個(gè)進(jìn)程或線程競(jìng)爭(zhēng)的spinlock 已經(jīng)被另一個(gè)線程保持,它將把自己掛在該spinlock的優(yōu)先級(jí)化的等待隊(duì)列上，然后發(fā)生調(diào)度把CPU讓給別的進(jìn)程或線程。mutex替換 spinlock后，spinlock結(jié)構(gòu)定義如下代碼：
typedef struct {
struct rt_mutex lock; //新的實(shí)時(shí)互斥鎖
unsigned int break_lock;
} spinlock_t;
其中struct rt_mutex結(jié)構(gòu)如下：
struct rt_mutex {
raw_spinlock_t wait_lock;
struct plist wait_list; //優(yōu)先級(jí)等待隊(duì)列
struct task_struct *owner; //擁有該鎖進(jìn)程的信息
int owner_prio;
… …
};
在如上代碼中,類(lèi)型raw_spinlock_t就是原來(lái)的spinlock_t。即代碼中的spinlock_t就是新設(shè)計(jì)的自旋鎖。 rt_mutex結(jié)構(gòu)中,wait_list字段為優(yōu)先級(jí)等待隊(duì)列。在mutex使用中，當(dāng)遇到鎖住的臨界資源時(shí)，任務(wù)被掛起到wait_list中，臨界資源解鎖時(shí)等待任務(wù)被激活。臨界資源被保護(hù)的同時(shí)可以搶占。
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