準(zhǔn)時(shí)的重要性:為嵌入式列車(chē)控制系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)
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時(shí)間：2012-11-14
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搶占式內(nèi)核
搶占式內(nèi)核是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)核心特點(diǎn)，在一個(gè)沒(méi)有搶占式內(nèi)核調(diào)用的操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)遇到不可預(yù)測(cè)的延遲會(huì)引起關(guān)鍵活動(dòng)錯(cuò)過(guò)截止時(shí)間— 使得系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足其可靠性的要求。
這些延遲是由高優(yōu)先級(jí)用戶(hù)線程等待完整的內(nèi)核調(diào)用來(lái)完成所引起的，即使這個(gè)調(diào)用是系統(tǒng)中最低級(jí)別的進(jìn)程造成的。更為糟糕的是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序或其它系統(tǒng)服務(wù)（通常在內(nèi)核調(diào)用時(shí)執(zhí)行）代表客戶(hù)線程執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)信息通常會(huì)丟失。
然而，在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，搶占不會(huì)發(fā)生的時(shí)間窗極其短暫，通常是在納秒級(jí)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)中斷被禁止的時(shí)間和搶占關(guān)閉上規(guī)定了一個(gè)上限。該上限允許開(kāi)發(fā)者確定最壞情況的延遲并在其設(shè)計(jì)中做調(diào)整。
為確?？深A(yù)測(cè)性和關(guān)鍵活動(dòng)的及時(shí)完成，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須盡可能簡(jiǎn)單，以便在通過(guò)內(nèi)核的最長(zhǎng)的非搶占式代碼路徑上有一個(gè)明確的上限。通過(guò)一個(gè)包括只用短執(zhí)行路徑服務(wù)的內(nèi)核和分配給外部進(jìn)程或線程的密集型操作（例如進(jìn)程加載）能實(shí)現(xiàn)最佳的簡(jiǎn)易性。
優(yōu)先級(jí)繼承
優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是一種低優(yōu)先級(jí)線程阻止高優(yōu)先級(jí)線程完成其工作的情況。表３顯示了一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程封鎖高優(yōu)先級(jí)線程的例子。這也許是通過(guò)同步引起（例如，警報(bào)和數(shù)據(jù)記錄器共享由鎖或信號(hào)燈控制的資源，警報(bào)等待數(shù)據(jù)記錄器解除鎖定的資源），或通過(guò)警報(bào)要求一項(xiàng)目前由數(shù)據(jù)記錄器使用的服務(wù)引起的。
在圖３的例子中，一個(gè)中等優(yōu)先級(jí)的線程（數(shù)據(jù)聚合器）搶占低優(yōu)先級(jí)的記錄器，但不需要該記錄器使用的資源，這使記錄器保持了資源控制。當(dāng)警報(bào)嘗試運(yùn)行，它搶占了聚合器并封鎖，但不能訪問(wèn)仍被記錄器控制的資源。由于警報(bào)的封鎖，調(diào)度程序?qū)ふ夷苓\(yùn)行的優(yōu)先級(jí)別最高的線程，并運(yùn)行聚合器，顛倒線程優(yōu)先級(jí)。
圖3 有了優(yōu)先級(jí)繼承，高優(yōu)先級(jí)線程不會(huì)被封鎖
優(yōu)先級(jí)繼承是一個(gè)阻止優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的機(jī)制。它將高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)分配給低優(yōu)先級(jí)線程直到線程完成。在上面的這個(gè)例子中，數(shù)據(jù)記錄器將繼承警報(bào)的優(yōu)先級(jí)，因此不能被數(shù)據(jù)聚合器搶占。它將完成并恢復(fù)到原來(lái)的優(yōu)先級(jí)，而且警報(bào)將解除封鎖并不受數(shù)據(jù)聚合器的影響，該機(jī)制在圖4中顯示。
圖4 自適應(yīng)分區(qū)是保護(hù)特定線程和線程組的一套規(guī)則
時(shí)間分區(qū)
在與安全相關(guān)的系統(tǒng)里，如果一個(gè)子系統(tǒng)缺乏CPU周期，它提供的服務(wù)也許對(duì)其它子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可用的。例如，在地鐵系統(tǒng)里，如果一個(gè)車(chē)載ATP系統(tǒng)的通信棧進(jìn)程在需要時(shí)無(wú)法響應(yīng)，該車(chē)載ATP系統(tǒng)也許要與軌旁ATP基礎(chǔ)設(shè)施承擔(dān)通信中斷并開(kāi)始啟動(dòng)安全程序，減速或停止列車(chē)并中斷上下線的服務(wù)。
時(shí)間分區(qū)通過(guò)硬件或軟件的手段強(qiáng)制分配CPU預(yù)算，解決資源饑餓。它可以防止進(jìn)程或線程壟斷其它進(jìn)程或線程需要的CPU周期?？赡艹霈F(xiàn)兩種類(lèi)型的分區(qū)：靜態(tài)和自適應(yīng)。
在靜態(tài)分區(qū)中，任務(wù)在區(qū)內(nèi)分組，每個(gè)區(qū)分配了一定比例的CPU時(shí)間。沒(méi)有一個(gè)任務(wù)在任何區(qū)內(nèi)能消耗超過(guò)分區(qū)預(yù)先確定的CPU時(shí)間。通過(guò)確保每個(gè)分區(qū)都能得到一定的CPU時(shí)間，該限制確保所有的關(guān)鍵進(jìn)程總是能夠保持運(yùn)行。
不幸的是，沒(méi)有進(jìn)程能夠使用比分配給它分區(qū)限定的更多的CPU周期，即使其它分區(qū)沒(méi)有使用所有分配給它們的時(shí)間。因此，靜態(tài)分區(qū)白白浪費(fèi)了CPU周期并降低了系統(tǒng)處理高峰需求的能力。
與靜態(tài)分區(qū)一樣，自適應(yīng)分區(qū)為進(jìn)程或進(jìn)程組保留了CPU周期。然而，不像靜態(tài)分區(qū)，自適應(yīng)分區(qū)使用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，重新分配未使用的CPU周期給需要的分區(qū)。只有當(dāng)CPU運(yùn)行時(shí)，它才執(zhí)行分區(qū)預(yù)算。自適應(yīng)分區(qū)從而讓系統(tǒng)以100% 的能力運(yùn)行，僅當(dāng)一個(gè)分區(qū)以上的進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)周期時(shí)，它才執(zhí)行分區(qū)預(yù)算。
此外，自適應(yīng)分區(qū)基于預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)，能在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)整預(yù)算。例如，一個(gè)負(fù)責(zé)制動(dòng)調(diào)整的分區(qū)也許在每小時(shí)低于20公里的速度時(shí)被分配30%的CPU時(shí)間，而在更高速度時(shí)分配到45%的CPU時(shí)間。
軟件看門(mén)狗
要求可用性保證的系統(tǒng)會(huì)實(shí)施以硬件為導(dǎo)向的高可用性解決方案和軟件看門(mén)狗。
軟件看門(mén)狗是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行多階段恢復(fù)或清除關(guān)閉的一個(gè)用戶(hù)空間進(jìn)程?？撮T(mén)狗必須自我檢測(cè)并彈性處理內(nèi)部故障。它如果意外停止，必須通過(guò)將其任務(wù)移交給鏡像進(jìn)程從而立即、完全重建其自我狀態(tài)。
如發(fā)生故障，看門(mén)狗可以執(zhí)行多種操作以確保系統(tǒng)安全性并恢復(fù)。例如，它能夠中止然后重啟故障進(jìn)程，避免系統(tǒng)重啟?；蛘撸材芙K止該進(jìn)程和相關(guān)進(jìn)程，初始化硬件到一個(gè)安全狀態(tài)，然后以協(xié)調(diào)的方式重新啟動(dòng)終止的進(jìn)程?；蛘?，如果故障至關(guān)重要，看門(mén)狗可以執(zhí)行可控的關(guān)閉或重啟整個(gè)系統(tǒng)并發(fā)出報(bào)警。
最后，軟件看門(mén)狗能夠監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的硬件看門(mén)狗不可見(jiàn)的系統(tǒng)事件。例如，硬件看門(mén)狗能確保驅(qū)動(dòng)程序正服務(wù)于硬件，但可能無(wú)法檢測(cè)到其他程序是否正確的與該驅(qū)動(dòng)程序溝通。而軟件看門(mén)狗可以彌補(bǔ)這一差距，當(dāng)它檢測(cè)到一個(gè)內(nèi)部異常時(shí)能夠采取行動(dòng)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/159690.htm linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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