“硬實時”為Linux注入新活力

摘要： 本文從Linux在設(shè)備軟件領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛引出Linux在實時性方面值得關(guān)注的問題，簡要介紹了“硬實時”與“軟實時”的差異，以及哪些應(yīng)用場合必須要求“硬實時”的設(shè)備軟件平臺，最后指出了獲得真正硬實時Linux解決方案的途徑。

關(guān)鍵詞： 嵌入式；設(shè)備軟件；實時性；Linux；硬實時

將Linux作為電子設(shè)備的軟件開發(fā)和運行平臺，這早已成為設(shè)備軟件領(lǐng)域的熱門話題，這的確可以為電子產(chǎn)品制造企業(yè)帶來不少好處。然而，由于Linux一直都只能提供軟實時(soft real-time)性能，而在汽車控制、工業(yè)控制、電信基礎(chǔ)建設(shè)等諸多需要硬實時性能的應(yīng)用中，都無法采用只有“軟實時”能力的Linux，這就使得許多對時間較為敏感的應(yīng)用都成為Linux難以涉入的禁地。

最近，美國風(fēng)河系統(tǒng)公司從FSMLabs購買了硬實時Linux技術(shù)—RTLinux，并將其與風(fēng)河全球領(lǐng)先的Linux設(shè)備軟件平臺的結(jié)合，為電子設(shè)備制造商提供一套成熟、可靠的全新技術(shù)，用于開發(fā)和部署各種基于Linux的下一代應(yīng)用，滿足電子設(shè)備制造商們對“硬實時(hard real-time)”特性的需求，例如功能型手機、需要高容量流媒體的數(shù)字圖像應(yīng)用以及包括車輛避撞系統(tǒng)在內(nèi)的各類車載應(yīng)用等。其中，集成RTLinux技術(shù)的Wind River Platform for Consumer Devices, Linux Edition可以把各種基于Linux的高速包交換設(shè)備軟件應(yīng)用提升到一個全新的高性能級別。

那么，就讓我們一起來了解一下，“硬實時”和“軟實時”有什么樣的區(qū)別，哪些場合必須有“硬實時”的軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)，以及怎樣才能獲得真正具有“硬實時”特性的Linux平臺。

實時性的“軟”和“硬”

實時操作系統(tǒng) (Real-time OS) 是相對于分時操作系統(tǒng) (Time-Sharing OS) 的一個概念。在一個分時操作系統(tǒng)中，計算機資源會被平均地分配給系統(tǒng)內(nèi)所有的工作。在分時系統(tǒng)中，各項任務(wù)需要花多長時間來完成，這一點并不重要；而在一個實時操作系統(tǒng)之中，最關(guān)注的是每個任務(wù)在多長時間內(nèi)可以完成。簡單地說，實時和分時操作系統(tǒng)最大的不同在于 “時限(deadline)”這個概念。

從上述區(qū)別中可以看出，在實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)必須在特定的時間內(nèi)完成指定的應(yīng)用，具有較強的“剛性”，而分時操作系統(tǒng)則注重將系統(tǒng)資源平均地分配給各個應(yīng)用，不太在意各個應(yīng)用的進度如何，什么時間能夠完成。不過，就算是實時操作系統(tǒng)，其“剛性”和“柔性”的程度也有所不同，就好像是系統(tǒng)的“硬度”有所不同，因而有了所謂的“硬實時(hard real-time)”和“軟實時 ( soft real-time)”。硬實時系統(tǒng)有一個剛性的、不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤。超時錯誤會帶來損害甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失敗、或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實現(xiàn)它的預(yù)期目標。軟實時系統(tǒng)的時限是一個柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，例如在網(wǎng)絡(luò)中僅僅是輕微地降低了系統(tǒng)的吞吐量。

當你從事設(shè)備軟件開發(fā)時，首先需要知道該系統(tǒng)究竟屬于硬實時、軟實時還是非實時系統(tǒng)，這一點很重要。這三種系統(tǒng)所要求的編程技術(shù)和規(guī)范存在很大差別。

風(fēng)河公司認為，硬實時與軟實時之間最關(guān)鍵的差別在于，軟實時只能提供統(tǒng)計意義上的實時。例如，有的應(yīng)用要求系統(tǒng)在95%的情況下都會確保在規(guī)定的時間內(nèi)完成某個動作，而不一定要求100%。在許多情況下，這樣的“軟性”正確率已經(jīng)可以達到用戶期望的水平。比如，用戶在操作DVD播放機時，只要98%的情況都能正常播放，用戶可能就滿意了；而發(fā)射衛(wèi)星、控制核反應(yīng)堆的應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的實時性必須達到100%，是絕對不允許出現(xiàn)意外的。

何時需要“硬實時”？

幾乎在每個行業(yè)垂直市場都有大量的應(yīng)用系統(tǒng)要求必須采用硬實時才能達到。例如，在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施市場，電信應(yīng)用的關(guān)鍵業(yè)務(wù)常常就對硬實時、軟實時和超高速包傳輸提出了綜合性的要求。在許多對服務(wù)水平有特定要求的話音和其它媒體流傳輸應(yīng)用中，對硬實時的要求顯然超出了市場上現(xiàn)有通用操作系統(tǒng)所能提供的水平。高吞吐量以及高密度數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)也會令簡單的網(wǎng)絡(luò)堆棧和傳統(tǒng)In-House的嵌入式操作系統(tǒng)陷入性能拙劣的泥潭。

即使在當今的消費電子市場，移動電話中的調(diào)制解調(diào)器控制和應(yīng)用處理都離不開硬實時技術(shù)，以便減少芯片組的數(shù)量，降低硬件成本。特別是手機設(shè)計者希望采用單核處理器來實現(xiàn)這些功能的時候就更是如此。在數(shù)字音響和視頻設(shè)備中，更是不乏硬實時技術(shù)的大量應(yīng)用。數(shù)碼相機的快門只要被按下，就必須跟隨一連串確定的動作，否則就無法拍出高質(zhì)量的照片。

更嚴重的情況是，在有些領(lǐng)域系統(tǒng)出錯可能導(dǎo)致重大的損失，甚至是人命關(guān)天的。例如航空與國防應(yīng)用中的指令控制、導(dǎo)航、安全、武器控制等，還有飛機駕駛模擬系統(tǒng)等應(yīng)用，都需要將復(fù)雜的計算、存儲、顯示和機電控制系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)起來。工業(yè)生產(chǎn)流水線，特別是在化工、電力、交通等行業(yè)，都有許多精確度極高的機電控制系統(tǒng)。所有這些應(yīng)用，毫無疑問都必須建立在硬實時技術(shù)的基礎(chǔ)之上。

怎樣獲得真正的硬實時Linux?

如果我們在整個業(yè)界尋找最具有硬實時性的操作系統(tǒng)，大家公認的一定是風(fēng)河系統(tǒng)公司的VxWorks。以此為參照，可以讓我們對市場上可供選擇的實時性Linux操作系統(tǒng)有一個更為清晰的認識。

首先，VxWorks與Linux相比，實現(xiàn)硬實時性的方式是完全不同的。VxWorks從最基礎(chǔ)的架構(gòu)開始就是按照硬實時性的標準來設(shè)計的，因此從操作系統(tǒng)整體架構(gòu)，到其中的每一個組成部分，都具有無可挑剔的硬實時性。

Linux本身原來并不是為了實時性而設(shè)計的操作系統(tǒng)。為了在Linux系統(tǒng)中增加實時性，典型的方法是采用“架空”Linux kernel，使得real-time進程得以盡快的被執(zhí)行。所以，這種系統(tǒng)中的實時任務(wù)(real-time task) 其實并不是一個 Linux的進程，而是一個Linux的可加載的Kernel模塊( loadable kernel module)，或者是一個實時驅(qū)動程序的架構(gòu)，算不上是真正的real-time Linux。但由于它出現(xiàn)的早，且其架構(gòu)很符合自動控制的需求，因此使用者非常多。

風(fēng)河系統(tǒng)公司最近從FSMLabs購買的硬實時Linux技術(shù)—RTLinux，是一個完整的發(fā)布版本，把Linux kernel、文件系統(tǒng)和工具鏈(toolchain)與RTCore硬實時執(zhí)行技術(shù)結(jié)合起來，形成了一個基于Linux的完整硬實時解決方案。風(fēng)河公司經(jīng)過測試驗證發(fā)現(xiàn)，針對不同的測試基準，其性能可以達到軟實時Linux系統(tǒng)的2~5倍。

簡單地說，RTCore是一個為了達到實時性而進行的“中斷抽象”。這種實時執(zhí)行技術(shù)提供了一個硬件抽象層，可以管理系統(tǒng)中所有的硬件中斷，處理所有的實時響應(yīng)。當所有的實時請求都處理完后，才把非實時性的工作交給標準的Linux kernel。這種做法可以獲得雙重好處—一方面為應(yīng)用提供了必須的硬實時能力，另一方面又不需要對標準Linux進行任何修改，從而可以保證對于第三方應(yīng)用以及其他Linux進程的完全兼容性。

也許有人會問，現(xiàn)在已經(jīng)有開放源代碼的硬實時Linux，為什么風(fēng)河公司還有花錢去買過來，再補充到自己原有的Linux平臺之中呢？風(fēng)河公司認為，購買RTCore技術(shù)可以讓W(xué)ind River Linux平臺擁有成熟并且經(jīng)過實用測試硬實時能力，立刻向電子設(shè)備廠商提供相應(yīng)的解決方案。盡管在開放源碼社區(qū)可以獲得實時Linux技術(shù)，但是RTLinux是唯一提供商業(yè)化支持與服務(wù)的硬實時Linux解決方案。還有些宣稱具有實時性的Linux解決方案，并不一定具有硬實時能力，而且更重要的是，在這種平臺上所開發(fā)的應(yīng)用軟件很難在多種架構(gòu)平臺之間移植。

結(jié)語

風(fēng)河公司購買并融合RTCore技術(shù)，將會使Wind River Linux平臺的客戶在獲得硬實時特性的同時免于受到GPL的限制。因為風(fēng)河公司所購買的TRLinux包括專利、版權(quán)、商標和相關(guān)的產(chǎn)品權(quán)利，從而可以不受限制地服務(wù)于新型的Linux設(shè)備軟件市場。由此獲得的知識產(chǎn)權(quán)將會為致力于基于Linux的實時應(yīng)用解決方案開發(fā)人員提供有力的支持。