嵌入式Linux實時性能提高方案 - 全文

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　　1 引言

　　分析了Linux的實時性，針對其在實時應用中的技術(shù)障礙，在參考了與此相關(guān)研究基礎(chǔ)上，從三方面提出了改善Linux實時性能的改進措施。為提高嵌入式應用響應時間精度,提出兩種細化Linux時鐘粒度方法;為增強系統(tǒng)內(nèi)核對實時任務的響應能力,采用插入搶占點和修改內(nèi)核法增強Linux內(nèi)核的可搶占性;為保證硬實時任務的時限要求，把原Linux的單運行隊列改為雙運行隊列,硬實時任務單獨被放在一個隊列中,并采用MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度算法。本文分析了標準Linux在實時應用中的技術(shù)障礙，參考了修改核方法的思想，從內(nèi)核時鐘管理、內(nèi)核的搶占性、內(nèi)核調(diào)度算法三方面論述了改善標準Linux實時性能的方法。

　　2 Linux 在實時應用中的技術(shù)障礙

　　2.1 Linux的實時性分析

　　Linux作為一個通用操作系統(tǒng)，主要考慮的是調(diào)度的公平性和吞吐量等指標。然而，在實時方面它還不能很好地滿足實時系統(tǒng)方面的需要，其本身僅僅提供了一些實時處理的支持，這包括支持大部分POSIX標準中的實時功能，支持多任務、多線程，具有豐富的通信機制等;同時也提供了符合POSIX標準的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略。Linux區(qū)分實時進程和普通進程，并采用不同的調(diào)度策略。

　　為了同時支持實時和非實時兩種進程，Linux的調(diào)度策略簡單講就是優(yōu)先級加上時間片。當系統(tǒng)中有實時進程到來時，系統(tǒng)賦予它最高的優(yōu)先級。體現(xiàn)在實時性上，Linux采用了兩種簡單的調(diào)度策略，即先來先服務調(diào)度(SCHED-FIFO)和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度(SCHED-RR)。具體是將所有處于運行狀態(tài)的任務掛接在一個run-queue 隊列中,并將任務分成實時和非實時任務，對不同的任務，在其任務控制塊task-struct中用一個policy屬性來確定其調(diào)度策略。對實時性要求較嚴的硬實時任務采用SCHED-FIFO調(diào)度，使之在一次調(diào)度后運行完畢。對普通非實時進程，Linux采用基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)策略。

　　2.2 Linux在實時應用中的技術(shù)障礙

　　盡管Linux本身提供了一些支持實時性的機制，然而，由于Linux系統(tǒng)是以高的吞吐量和公平性為追求目標，基本上沒有考慮實時應用所要滿足的時間約束，它只是提供了一些相對簡單的任務調(diào)度策略。因此，實時性問題是將Linux應用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一大障礙,無法在硬實時系統(tǒng)中得到應用。 Linux在實時應用中的技術(shù)障礙具體表現(xiàn)在:

　　(1)Linux系統(tǒng)時鐘精度太過粗糙，時鐘中斷周期為10ms，使得其時間粒度過大，加大了任務響應延遲。

　　(2) Linux的內(nèi)核是不可搶占的, 當一個任務通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核態(tài)運行時,一個具有更高優(yōu)先級的進程，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，這將導致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。實時任務執(zhí)行時間的不確定性，顯然不能滿足硬實時應用的要求。

　　(3) Linux采用對臨界區(qū)操作時屏蔽中斷的方式，在中斷處理中是不允許進行任務調(diào)度的，從而抑制了系統(tǒng)及時響應外部操作的能力。

　　(4) 缺乏有效的實時任務調(diào)度機制和調(diào)度算法。

　　針對這些問題，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，必須增強其內(nèi)核的實時性能，從而構(gòu)建出一個具有實時處理能力的嵌入式系統(tǒng)，適應嵌入式領(lǐng)域應用的需要。

　　2.3 當前增強Linux內(nèi)核實時性的主流技術(shù)

　　近年來，人們對于Linux內(nèi)核實時性改造提出了一些方法和設(shè)想，它們采用了不同的思路和技術(shù)方案。歸納總結(jié)，支持Linux的硬實時性一般有兩種策略[5]：一種是直接修改Linux內(nèi)核,重新編寫一個由優(yōu)先級驅(qū)動的實時調(diào)度器(Real-time Scheduler)，替換原有內(nèi)核中的進程調(diào)度器sched.c，KURT是采用這一方案較為成功的實時Linux操作系統(tǒng);另外一種是在Linux內(nèi)核之外, 以可加載內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Module)的形式添加實時內(nèi)核，確保其高響應特性，實時內(nèi)核接管來自硬件的所有中斷，并依據(jù)是否是實時任務決定是否直接響應。新墨西哥科技大學的 RT-Linux，就是基于這種策略而開發(fā)的。以上兩種策略有其借鑒之處，但如果綜合考慮任務響應、內(nèi)核搶占性、實時調(diào)度策略等幾個影響操作系統(tǒng)實時性能的重要方面，它們還不能很好的滿足實時性問題。為了增強嵌入式Linux實時性能，下文將就內(nèi)核時鐘精度、內(nèi)核的搶占性以及內(nèi)核調(diào)度算法等相關(guān)問題重點研究相應的解決方法。

　　3 改善嵌入式Linux實時性能的方法

　　針對Linux在實時應用中的技術(shù)障礙，將Linux改造成為支持實時任務的嵌入式操作系統(tǒng), 主要從下面三個方面進行著手。

　　3.1細化時鐘粒度

　　精確的計時是實時調(diào)度器正確操作所必須的，調(diào)度器通常要求在一個特定的時刻進行任務切換，計時的錯誤將導致背離計劃的調(diào)度，引起任務釋放抖動。標準 Linux系統(tǒng)時鐘精度太過粗糙，時鐘中斷周期為10ms，不能滿足特定嵌入式應用領(lǐng)域中對于響應時間精度的要求。因此，在實時Linux應用中，需要細化其時鐘粒度，具體有兩種方式可以解決時鐘粒度問題：一是通過直接修改內(nèi)核定時參數(shù)HZ的初值來細化時鐘粒度，如將標準Linux中內(nèi)核定時參數(shù)HZ改為10000, 則時鐘粒度可以達到100us，這種方式雖然會增加一些系統(tǒng)開銷，但在強周期性環(huán)境下，對定時器的設(shè)置只需初始化一次，在一定程度上保證了處理效率;二是通過對可編程中斷定時器8254或先進的可編程中斷控制器進行編程來改進Linux時鐘機制，以提高其時鐘的分辨率，使毫秒級的粗粒度定時器變成微秒級的細粒度定時器。

　　3.2 增強Linux內(nèi)核的搶占性

　　標準Linux內(nèi)核是不可搶占的，導致較大的延遲，增強內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)內(nèi)核對實時任務的響應能力。目前，有兩種方法修改Linux內(nèi)核以提高實時任務搶占非實時任務的能力：一是在內(nèi)核中增加搶占點的方法;二是直接將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核。插入搶占點方法是在Linux內(nèi)核中插入一些搶占點，當一個系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行到搶占點時，如果有更高優(yōu)先級的實時進程正在等待運行，那么正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核進程將會把CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給等待運行的實時進程;如果沒有更高優(yōu)先級的實時進程等待，則當前進程將繼續(xù)執(zhí)行，此時系統(tǒng)增加的開銷僅僅是檢測一下調(diào)度標志。將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核方法的基本思想是產(chǎn)生運行調(diào)度器的機會，縮短任務發(fā)生到調(diào)度函數(shù)運行的時間間隔。這種方法修改了Linux源代碼中的自旋鎖宏以避免競爭，并在其中引入一個稱作搶占鎖計數(shù)器(PLC)的新的計數(shù)信號允許內(nèi)核代碼搶占，當它為0時，允許搶占;當其為大于0的任何值時，禁止搶占。目前，針對這兩種修改 Linux內(nèi)核的方法，已經(jīng)有兩種比較成熟的Linux內(nèi)核補丁被研制出來：搶占式補丁和低時延補丁。其中，搶占式補丁是Monta Vista開發(fā)的，它修改了內(nèi)核代碼中的spinlock宏和中斷返回代碼，使得當前進程可被安全搶占，當自旋鎖釋放或者中斷線程完成時，調(diào)度器就有機會執(zhí)行調(diào)度;低時延補丁是由Ingo Malnor提出，該方法只是在執(zhí)行時間長的代碼塊上搶占，不采用強制式搶占，因此，如何找到延時長的代碼塊是解決問題的關(guān)鍵。

　　3.3 改善Linux內(nèi)核實時調(diào)度器的調(diào)度策略

　　將進入系統(tǒng)的所有任務按實時性分成三類：硬實時、軟實時、非實時任務[6]。硬實時要求系統(tǒng)確保任務執(zhí)行最壞情況下的執(zhí)行時間，即必須滿足實時事件的響應時間的截止期限，否則，將引發(fā)致命的錯誤;軟實時是指統(tǒng)計意義上的實時，一般整體吞吐量大或整體響應速度快，但不能保證特定任務在指定時期內(nèi)完成。針對不同的實時性任務，分別采用不同的調(diào)度方法進行處理。

　　為了嚴格保證硬實時任務的時限要求，改善的Linux內(nèi)核實時調(diào)度器采用了優(yōu)先級調(diào)度算法，目前最小松弛時間優(yōu)先調(diào)度算法MLF(Minimum- Laxity-First Scheduling Algorithm)是動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度最常見的實時調(diào)度策略。它在系統(tǒng)中為每一個任務設(shè)定松弛時間(任務的松弛時間等于任務的截止期減去任務執(zhí)行時間、當前時間)即: laxity= deadline―current_time―CPU_time_needed，系統(tǒng)優(yōu)先執(zhí)行具有最小松弛時間的任務。根據(jù)就緒隊列的各任務的松弛時間來分配優(yōu)先級，松弛時間最小的任務具有最高的優(yōu)先級。為了提高Linux的實時性，我們設(shè)計了MLF調(diào)度器，并把它作為可加載模塊加入Linux內(nèi)核中，在實現(xiàn)中需對內(nèi)核進行相應的修改。為了區(qū)分任務的類型，對基本Linux的task_struct屬性進行改進，在其中增加SCHED_MLF調(diào)度策略，并按task_struct中的policy的取值來進行區(qū)分, 分別用SCHED_MLF，SCHED_RR，SCHED_OTHER來標識硬實時、軟實時、非實時任務。將處于運行狀態(tài)的三類任務放入兩個隊列，硬實時任務放入hard_real_queue隊列, 采用MLF調(diào)度算法，軟實時和非實時任務放入non_real_queue隊列(空閑任務也在其中)，沿用原內(nèi)核的RR調(diào)度算法。這兩個隊列可以用一個 run_queue[2]的指針數(shù)組來指向,如圖1 所示。

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　　圖1 雙對列任務運行

　　雙隊列任務運行過程與原內(nèi)核的單運行隊列執(zhí)行流程的主要區(qū)別在：首先，各硬實時任務采用了MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度，提高了 Linux系統(tǒng)的實時性能。其次，在判斷是否有軟中斷需要處理之前需判斷硬實時任務隊列是否為空，如果不為空，即使存在中斷的后半部分需要處理,也要先調(diào)度硬實時任務投入運行，在硬實時隊列為空的條件下才去處理中斷的后半部分(因為中斷的后半部分沒有硬實時任務緊急)。最后，如果沒有硬實時任務存在，則說明只有run_queue [1]隊列中有軟實時或非實時任務存在，這時的處理方法和原內(nèi)核對單運行隊列的處理方法相同。這樣改進后，可以明顯提高硬實時任務的調(diào)度效率，而在沒有硬實時任務時，系統(tǒng)性能沒有變化。

　　4 結(jié)束語

　　本文在分析Linux實時性的同時，探討了其本身提供的一些支持實時性的機制以及在實時應用中的技術(shù)障礙。而后，基于增強Linux內(nèi)核實時性的主流技術(shù)，從細化時鐘粒度、增強內(nèi)核搶占性及實時調(diào)度策略三方面入手，提出了改善Linux實時性能的優(yōu)化方法。