嵌入式Linux實時技術(shù)改進(jìn)與實現(xiàn)

（1）．No Forced Preemption (Server)，這種模式等同于沒有使能搶占選項的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，主要適用于科學(xué)計算等服務(wù)器環(huán)境。

（2）．Voluntary Kernel Preemption (Desktop)，這種模式使能了自愿搶占，但仍然失效搶占內(nèi)核選項，它通過增加搶占點縮減了搶占延遲，因此適用于一些需要較好的響應(yīng)性的環(huán)境，如桌面環(huán)境，當(dāng)然這種好的響應(yīng)性是以犧牲一些吞吐率為代價的。

（3）．Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)，這種模式既包含了自愿搶占，又使能了可搶占內(nèi)核選項，因此有很好的響應(yīng)延遲，實際上在一定程度上已經(jīng)達(dá)到了軟實時性。它主要適用于桌面和一些嵌入式系統(tǒng)，但是吞吐率比模式2更低。

（4）．Complete Preemption (Real-Time)，這種模式使能了所有實時功能，因此完全能夠滿足軟實時需求，它適用于延遲要求為100微秒或稍低的實時系統(tǒng)。

實現(xiàn)實時是以犧牲系統(tǒng)的吞吐率為代價的，因此實時性越好，系統(tǒng)吞吐率就越低。

3、中斷線程化

中斷線程化是實現(xiàn)Linux實時性的一個重要步驟，在Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核中，中斷是最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元，不管內(nèi)核當(dāng)時處理什么，只要有中斷事件，系統(tǒng)將立即響應(yīng)該事件并執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理代碼，除非當(dāng)時中斷關(guān)閉。因此，如果系統(tǒng)有嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)或I/O負(fù)載，中斷將非常頻繁，后發(fā)生的實時任務(wù)將很難有機(jī)會運行，也就是說，毫無實時性可言。中斷線程化之后，中斷將作為內(nèi)核線程運行而且賦予不同的實時優(yōu)先級，實時任務(wù)可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級，這樣，實時任務(wù)就可以作為最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元來運行，即使在嚴(yán)重負(fù)載下仍有實時性保證。

中斷線程化的另一個重要原因是spinlock被mutex取代。中斷處理代碼中大量地使用了spinlock，當(dāng)spinlock被mutex取代之后，中斷處理代碼就有可能因為得不到鎖而需要被掛到等待隊列上，但是只有可調(diào)度的進(jìn)程才可以這么做，如果中斷處理代碼仍然使用原來的spinlock，則spinlock取代mutex的努力將大打折扣，因此為了滿足這一要求，中斷必須被線程化，包括IRQ和softirq。

中斷線程化的實現(xiàn)方法是：對于IRQ，在內(nèi)核初始化階段init（該函數(shù)在內(nèi)核源碼樹的文件init/main.c中定義）調(diào)用init_hardirqs（該函數(shù)在內(nèi)核源碼樹的文件kernel/irq/manage.c中定義）來為每一個IRQ創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，IRQ號為0的中斷賦予實時優(yōu)先級49，IRQ號為1的賦予實時優(yōu)先級48，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。原來的do_IRQ被分解成兩部分，架構(gòu)相關(guān)的放在類似于arch/*/kernel/irq.c的文件中，名稱仍然為do_IRQ，而架構(gòu)獨立的部分被放在IRQ子系統(tǒng)的位置kernel/irq/handle.c中，名稱為_do_IRQ。當(dāng)發(fā)生中斷時，CPU將執(zhí)行do_IRQ來處理相應(yīng)的中斷，do_IRQ將做了必要的架構(gòu)相關(guān)的處理后調(diào)用_do_IRQ。函數(shù)_do_IRQ將判斷該中斷是否已經(jīng)被線程化（如果中斷描述符的狀態(tài)字段不包含SA_NODELAY標(biāo)志說明中斷被線程化了），如果是將喚醒相應(yīng)的處理線程，否則將直接調(diào)用handle_IRQ_event（在IRQ子系統(tǒng)位置的kernel/irq/handle.c文件中）來處理。對于已經(jīng)線程化的情況，中斷處理線程被喚醒并開始運行后，將調(diào)用do_hardirq(在源碼樹的IRQ子系統(tǒng)位置的文件kernel/irq/manage.c中定義)來處理相應(yīng)的中斷，該函數(shù)將判斷是否有中斷需要被處理（中斷描述符的狀態(tài)標(biāo)志IRQ_INPROGRESS），如果有就調(diào)用handle_IRQ_event來處理。handle_IRQ_event將直接調(diào)用相應(yīng)的中斷處理句柄來完成中斷處理。

如果某個中斷需要被實時處理，它可以用SA_NODELAY標(biāo)志來聲明自己非線程化，例如：系統(tǒng)的時鐘中斷就是，因為它被用來維護(hù)系統(tǒng)時間以及定時器等，所以不應(yīng)當(dāng)被線程化。

static struct irqaction irq0=

{ timer_interrupt, SA_INTERRUPT | SA_NODELAY, CPU_MASK_NONE, timer, NULL, NULL};

這是在靜態(tài)聲明時指定不要線程化，也可以在調(diào)用request_irq時指定，如：

request_irq (HIGHWIRE_SMI_IRQ,highwire_smi_interrupt,SA_NODELAY, System Management Switch, NULL))

對于softirq，標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核已經(jīng)使用內(nèi)核線程的方式來處理，為了使其易于被搶占，改進(jìn)實時性，具體的修改包括：把ksoftirqd的優(yōu)先級設(shè)置為nice值為-10，即它的優(yōu)先級高于普通的用戶態(tài)進(jìn)程和內(nèi)核態(tài)線程，但它不是實時線程，因此這樣一來softirq對實時性的影響將顯著減小。在處理軟中斷期間，搶占是使能的，這使得實時性更進(jìn)一步地增強(qiáng)。在處理軟中斷的函數(shù)_do_softirq中，每次處理完一個待處理的軟中斷后，都將調(diào)用cond_resched_all()，這顯著地增加了調(diào)度點數(shù)，提高了整個系統(tǒng)的實時性。