Linux轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) - 全文

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　　做為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的解決方案，Linux在眾多通用操作系統(tǒng)中具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢。

　　首先，Windows和Solaris等專有商業(yè)操作系統(tǒng)的剪裁受到商家的嚴(yán)格控制。這大大限制了開發(fā)者的剪裁深度。而Linux遵循GPL協(xié)議，開放所有系統(tǒng)源代碼，非常易于剪裁。

　　其次，同其它開放源碼的通用操作系統(tǒng)(如FreeBSD)相比，Linux在多種處理器、開發(fā)板支持和軟件開發(fā)工具支持上有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

　　Linux最初也是作為通用操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)開發(fā)的，但提供了一些實(shí)時(shí)處理的支持。這包括支持大部分POSIX標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)時(shí)功能，支持多任務(wù)、多線程，具有豐富的通信機(jī)制等。

　　Linux還提供符合了POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略、時(shí)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。其默認(rèn)的調(diào)度策略是第三種。Linux還提供了內(nèi)存鎖定功能，以避免在實(shí)時(shí)處理中存儲(chǔ)頁被換出，也提供了符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)信號機(jī)制。

　　一個(gè)致命問題是，Linux在用戶態(tài)支持可搶占調(diào)度策略，而在核心態(tài)卻不支持搶占式調(diào)度策略。這樣運(yùn)行在Linux核心態(tài)的任務(wù)(或系統(tǒng)調(diào)用)是不能被其它優(yōu)先級更高的任務(wù)所搶占的，這樣就會(huì)引起優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)問題。另外，Linux操作系統(tǒng)的中斷處理句柄是不可調(diào)度的，不能依優(yōu)先級高低調(diào)度。而在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，卻希望中斷處理句柄同實(shí)時(shí)任務(wù)一樣，可以有優(yōu)先級來被系統(tǒng)的調(diào)度程序所調(diào)度。

　　此外，我們還關(guān)心和任務(wù)響應(yīng)時(shí)間相關(guān)的時(shí)鐘精度，以及由于資源共享而帶來的優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)問題。Linux中硬件時(shí)鐘中斷的默認(rèn)時(shí)間間隔是10ms，所有的軟件時(shí)鐘都是靠硬件來觸發(fā)的。而簡單同步機(jī)制(互斥)不支持優(yōu)先級繼承又很可能導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。

　　獨(dú)立核方法

　　Linux作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的獨(dú)立核方法是指設(shè)計(jì)一種完全獨(dú)立的實(shí)時(shí)核心，但其API 與Linux核心相兼容。這種方法的理論基礎(chǔ)是一款優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須在其設(shè)計(jì)之初就充分考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，并能夠提供符合標(biāo)準(zhǔn)的API。這種實(shí)現(xiàn)方法對很多與POSIX 兼容的專有實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供商很有吸引力。

　　這種方法的局限性是由于設(shè)計(jì)了一個(gè)完全獨(dú)立的實(shí)時(shí)核心而沒有使用原有Linux核心，導(dǎo)致Linux系統(tǒng)的一些優(yōu)勢難以繼承，尤其是與Linux核心相關(guān)的一些優(yōu)勢無法獲得。比如Linux核心對大量硬件的廣泛支持，Linux核心超群的可靠性、穩(wěn)定性等。另外，由于這種方法并沒有通過修改Linux核心代碼來開發(fā)實(shí)時(shí)核心，而是在Linux系統(tǒng)之上重新設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)核心，這樣的開發(fā)并不要求源代碼開放。因此，Linux一些基于開放源代碼的優(yōu)勢也勢必受損。最后一點(diǎn)，任何基于Linux核心的開發(fā)成果也無法方便地應(yīng)用到實(shí)時(shí)核心中。

　　當(dāng)然這種實(shí)現(xiàn)方法也從Linux系統(tǒng)中得到了很多好處。由于Linux系統(tǒng)的支撐，實(shí)時(shí)核心就并不需要“真”的去實(shí)現(xiàn)。而且熟悉Linux系統(tǒng)的開發(fā)人員也可以很快地熟悉這種方法開發(fā)出的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。人們也會(huì)自然地想到用Linux系統(tǒng)做嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺。此外，如果這種實(shí)時(shí)系統(tǒng)的API是Linux系統(tǒng)API子集的話，我們還可以只在Linux主機(jī)上仿真，進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試，免去了遠(yuǎn)程調(diào)試之苦!

　　與Linux API的兼容程度是評估這類實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。如果一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)兼容了所有Linux API，那么就允許所有Linux上的應(yīng)用程序和庫在其上運(yùn)行使用。因此，這將會(huì)帶來一個(gè)巨大的好處，所有在Linux上可用的第三方軟件均可以在其上使用。當(dāng)然，開發(fā)一款這樣兼容所有Linux API的實(shí)時(shí)系統(tǒng)決不是件容易的事，尤其是對于單個(gè)開發(fā)商來說。

　　所以，大量的第三方軟件并不能很容易地移植到實(shí)時(shí)系統(tǒng)中來，這點(diǎn)不足，也使Linux的優(yōu)勢大打折扣!

　　雙核方法

　　這種方法在同一硬件平臺上采用了兩個(gè)相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，一個(gè)核心提供精確的實(shí)時(shí)多任務(wù)管理，另一個(gè)核心提供復(fù)雜的非實(shí)時(shí)通用功能。

　　這種方法是通過在Linux操作系統(tǒng)的最底層增加一層實(shí)時(shí)核心層來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)核心負(fù)責(zé)硬件管理并提供實(shí)時(shí)任務(wù)管理。實(shí)時(shí)核心還用軟件“模擬”常規(guī)Linux系統(tǒng)對底層硬件的使用/禁止中斷，而不是真正的操作中斷控制寄存器。Linux核心被看做實(shí)時(shí)核心中優(yōu)先級最低的任務(wù)來調(diào)度，只有當(dāng)沒有可運(yùn)行的實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)Linux核心才被調(diào)度。

　　這種方法的一個(gè)關(guān)鍵所在是運(yùn)行在常規(guī)Linux核心上的所有非實(shí)時(shí)任務(wù)必須是支持可搶占式調(diào)度的。這樣才能做到對實(shí)時(shí)核心提供精確實(shí)時(shí)保證沒有任何影響。由于實(shí)時(shí)核心非常小，并不會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載，所有這些對開發(fā)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)軟件都提供了有力保障。

　　這種方法的弊端在于實(shí)時(shí)任務(wù)的開發(fā)是直接面向提供精確實(shí)時(shí)服務(wù)的小實(shí)時(shí)核心的，而不是功能強(qiáng)大的常規(guī)Linux核心。因此，實(shí)時(shí)任務(wù)是運(yùn)行在系統(tǒng)核心層的，這就意味著這些實(shí)時(shí)任務(wù)可以運(yùn)行在沒有內(nèi)存保護(hù)的級別之上。所以，一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓!更要命的是，這些實(shí)時(shí)任務(wù)的開發(fā)由于面對的是小的實(shí)時(shí)核心，而不能直接利用Linux API和第三方軟件及運(yùn)行庫。

　　這種開發(fā)模式暗示我們必須要對應(yīng)用進(jìn)行靜態(tài)分解。把它分解成實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分。在大多情況下，這是件好事情。它迫使開發(fā)人員將應(yīng)用系統(tǒng)分解成實(shí)時(shí)子系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)子系統(tǒng)兩部分。但很顯然，使用這種開發(fā)模式也限制了應(yīng)用的類型!因?yàn)?，這種用二元論觀點(diǎn)看待實(shí)時(shí)系統(tǒng)的方法并不適合所有的應(yīng)用。在一些應(yīng)用中，實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分的界線并不是十分分明，期間可能存在著不同程度的軟實(shí)時(shí)部分。

　　這種方法的另一個(gè)不足之處是，開發(fā)模式混合了實(shí)時(shí)應(yīng)用的兩個(gè)不相干維度――功能需求和實(shí)時(shí)需求。它要求應(yīng)用的實(shí)時(shí)需求必須限制于由實(shí)時(shí)核心提供的功能需求限度以內(nèi)。而實(shí)時(shí)核心提供的功能支持非常有限。當(dāng)然我們也可以擴(kuò)展實(shí)時(shí)核心的功能，比如增加實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)功能等。然而，新增加的部分很有可能會(huì)重疊Linux核心已有功能，而導(dǎo)致了不必要的系統(tǒng)“膨脹”，并折損這種方法的價(jià)值。 修改核方法

　　這種方法是基于已有Linux系統(tǒng)對實(shí)時(shí)軟件開發(fā)的支持，進(jìn)行源代碼級修改而使Linux變成一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這種方法也是和Linux哲學(xué)相吻合的。任何基于Linux核心源代碼修改的產(chǎn)品，都要遵循GPL 協(xié)議，對所有軟件人員開放源代碼。一旦很多人認(rèn)為它是有用的，就會(huì)有人對它進(jìn)行維護(hù)，或者是混合在通用Linux核心中，或者是單獨(dú)分出一個(gè)實(shí)時(shí)Linux分支。

　　這種方法的中心原則是精心選擇部分改動(dòng)，就可以滿足一系列相關(guān)Linux實(shí)時(shí)開發(fā)。此外，由于這些改動(dòng)都是相對局部的，不會(huì)從根本上改變Linux的核心。而且一些改動(dòng)還可以通過常規(guī)Linux的可加載模塊方式完成。在需要時(shí)系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)加載該功能模塊，在不需要時(shí)還可以動(dòng)態(tài)卸載該模塊。

　　比如，修改之一是核心搶占式調(diào)度。把核心從非搶占式變成搶占式是結(jié)構(gòu)上的大變動(dòng)，并可能引起很多問題，但很多問題已經(jīng)在Linux支持SMP 的時(shí)候解決了。因此，核心的搶占式修改就可以簡單地利用SMP 掛鉤。另一個(gè)修改點(diǎn)是前面提到過的使中斷處理句柄可調(diào)度。還有一些修改是全局的，例如修改系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù)來提供更高精度的“心跳”，而不增加不必要的系統(tǒng)負(fù)載，或者是提供在核心實(shí)現(xiàn)互斥機(jī)制來支持優(yōu)先級繼承。

　　資源核方法

　　這種方法是為解決傳統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略的局限性而產(chǎn)生的。固定優(yōu)先級搶占式調(diào)度算法沒有任務(wù)間的臨時(shí)保護(hù)。因此，可預(yù)見的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間依賴于對所有更高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測。在這樣的系統(tǒng)中，可預(yù)見性是與全局相關(guān)的，并且可能被一個(gè)糟糕任務(wù)而影響的。此外，這種用靜態(tài)觀點(diǎn)看待實(shí)時(shí)系統(tǒng)也是不妥的。在很多實(shí)時(shí)應(yīng)用中，更希望實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用程序獲得資源動(dòng)態(tài)地調(diào)整任務(wù)屬性，以求得到最優(yōu)效果。

　　資源核方法是一種以資源為中心來指導(dǎo)實(shí)時(shí)核心提供精確的、有保證的、可搶占的獲取系統(tǒng)資源的方法。只要實(shí)時(shí)應(yīng)用所需資源可以由核心后臺資源管理程序調(diào)配滿足，實(shí)時(shí)核心是允許實(shí)時(shí)應(yīng)用可配置的。因此，實(shí)時(shí)核心其實(shí)是提供了實(shí)時(shí)應(yīng)用可構(gòu)建的基礎(chǔ)――從配置簡單的實(shí)時(shí)系統(tǒng)到復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，都可以通過動(dòng)態(tài)地改變實(shí)時(shí)任務(wù)屬性和它們在整個(gè)系統(tǒng)中的優(yōu)先級來滿足。

　　這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)具有很好的健壯性、可精確預(yù)見的實(shí)時(shí)性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整自身屬性。此外，這種方法非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。