新聞中心

EEPW首頁(yè) > 嵌入式系統(tǒng) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于APIC時(shí)鐘的嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化研究

基于APIC時(shí)鐘的嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化研究

作者: 時(shí)間:2010-10-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言
是指對(duì)進(jìn)行剪裁后,將其固化在單片機(jī)或者存儲(chǔ)器中,應(yīng)用于特定場(chǎng)合的專用系統(tǒng)。系統(tǒng)要求性能高,但Linux為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng),盡管最新的性能方面有所提高,但它仍然不是一個(gè)系統(tǒng),在很多場(chǎng)合不能滿足實(shí)時(shí)性要求。一般地,通過(guò)改造Linux的以提高其實(shí)時(shí)性能有2種策略:一種是采用底層編程的方法對(duì)Linux進(jìn)行修改(如調(diào)度算法、修改等),典型的系統(tǒng)有Kansas大學(xué)開(kāi)發(fā)的KURT。文獻(xiàn)提出了搶占式內(nèi)核調(diào)度算法,容易引起內(nèi)核優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn),文獻(xiàn)針對(duì)非搶占式內(nèi)核,增加搶占點(diǎn),該方法需要優(yōu)秀的調(diào)度算法。另一種途徑是Linux的外部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展,在原有Linux基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一個(gè)用于專門(mén)處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核,典型的系統(tǒng)有RTLinux、RTAI等。此方法的不足是RTLinux現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新,目前的開(kāi)源版本僅支持2.4內(nèi)核,RTAI的設(shè)計(jì)原理和RTLinux類似,也是一個(gè)實(shí)時(shí)性應(yīng)用接口。本文采用修改的方法對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造,修改中斷函數(shù),將中斷和8254中斷排序,使得硬實(shí)時(shí)中斷的優(yōu)先級(jí)大于普通8254中斷。通過(guò)多組仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該改造方法是有效的。

1 Linux的實(shí)時(shí)性分析
Linux設(shè)計(jì)的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡,其內(nèi)核試圖通過(guò)一種公平分配的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程平均地共享系統(tǒng)資源:
(1)內(nèi)核的不可搶占性:Linux的內(nèi)核在單處理器上不可搶占,當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí),一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程,只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行,這將導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)。
(2)進(jìn)程調(diào)度的不可搶占性:Linux作為一個(gè)分時(shí)系統(tǒng),采用多級(jí)反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法,它保證了每一個(gè)進(jìn)程都有一種調(diào)度策略,但是都放在同一個(gè)隊(duì)列中運(yùn)行,這也是Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。圖1是Linux調(diào)度機(jī)制框圖。
(3)中斷的精度不高:Linux 2.4.X內(nèi)核的時(shí)鐘中斷周期為10 ms,時(shí)鐘粒度太過(guò)于粗糙,不能滿足實(shí)時(shí)性要求。
(4)Linux的虛擬存儲(chǔ)管理:Linux采用段和頁(yè)機(jī)制的虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù),進(jìn)程在硬盤(pán)和內(nèi)存間的換入換出必然帶來(lái)額外的開(kāi)銷(xiāo),造成很大的延遲。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/151459.htm


由此可見(jiàn),要將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造,以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域要求。

2 時(shí)鐘修改的內(nèi)核改造方案
在單CPU系統(tǒng)中,與時(shí)間有關(guān)的活動(dòng)都是由8254時(shí)鐘芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的,8254產(chǎn)生0號(hào)中斷。直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值就可構(gòu)造細(xì)粒度定時(shí)器。這種方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單,但是由此帶來(lái)頻繁的定時(shí)中斷使得系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)很大,當(dāng)然隨著硬件速度的提高,這種開(kāi)銷(xiāo)會(huì)逐步降低。
簡(jiǎn)單地修改赫茲參數(shù)HZ進(jìn)行實(shí)時(shí)化的方法顯然并不可取。Linux 2.6內(nèi)核的時(shí)鐘粒度是1 ms,但仍然與嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)化要求差距較遠(yuǎn),因此需要更高精度的時(shí)鐘。目前常見(jiàn)的修改時(shí)鐘系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)化的方法都是從軟件層面著手,這方面己獲得較大進(jìn)展,但是從時(shí)鐘系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析并開(kāi)展實(shí)時(shí)化工作也是一個(gè)值得注意的方向。本文利用先進(jìn)的APIC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度時(shí)鐘系統(tǒng),提供了高精度的中斷響應(yīng),從而以較少的改動(dòng)獲得較高的實(shí)時(shí)性。
APIC以總線頻率工作,可立即執(zhí)行所有的定時(shí)器操作,目前x86都有片內(nèi)APIC,用戶可在單CPU內(nèi)使用APIC。APIC除了能提供高精度的時(shí)鐘外還具有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn),是由于它位于片內(nèi),對(duì)其編程只需幾個(gè)CPU指令周期,而對(duì)IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令。
在100MHz的CPU系統(tǒng)中,處理一個(gè)中斷的時(shí)間不到10μs,因此高速CPU完全可在更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的APIC中斷。理論上APIC可實(shí)現(xiàn)10 ns左右的系統(tǒng)時(shí)鐘,但實(shí)際上在處理中斷時(shí)要耗費(fèi)一些時(shí)間,因此中斷的響應(yīng)時(shí)間要大于10 ns。
APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt,該函數(shù)包括Irq_enter(),Run_realtimer_queue()和irq_exit(),其中函數(shù)irq_ exit通常負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前是否有8254產(chǎn)生的軟中斷存在,如果存在,就會(huì)觸發(fā)8254軟中斷,這樣會(huì)造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改irq_exit,在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程進(jìn)行排序,使APIC硬中斷的優(yōu)先級(jí)高于軟中斷,此時(shí)硬中斷線程得到優(yōu)先處理,從而提高內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能。Irp_exit函數(shù)的核心代碼如下:

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
光電開(kāi)關(guān)相關(guān)文章:光電開(kāi)關(guān)原理

上一頁(yè) 1 2 下一頁(yè)

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉