嵌入式Linux實時優(yōu)化技巧解析

　嵌入式系統(tǒng)是在有限的空間和有限的資源中運行，高效地實現(xiàn)某種特定功能或功能集合的裝置。
　　它的開發(fā)通常受到很多客觀條件的限制，諸如較弱的CPU處理能力、較小的內(nèi)存空間、較少的可供選擇的外設、有限的電源供應等。每個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)無不是精打細算，以求用有限的資源發(fā)揮最大的功效。在各種嵌入式系統(tǒng)上運行的操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux以其免費、高可靠性、廣泛的硬件支持以及開放源碼等眾多特性正在獲得越來越多的關注。其源碼開放特性使得開發(fā)者可以針對特定的嵌入式系統(tǒng)對Linux內(nèi)核進行修改，以滿足開發(fā)要求，達到系統(tǒng)最優(yōu)化的目的。嵌入式Linux應用中的一大問題是Linux的實時性問題。實時系統(tǒng)必須在限定時間內(nèi)對外部事件作出正確響應，重點放在對滿足突發(fā)性、暫時性的處理需求上。而Linux作為傳統(tǒng)的分時操作系統(tǒng)，關注更多的是系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)吞吐量。如何提高Linux的實時性能是擺在廣大嵌入式系統(tǒng)級開發(fā)人員面前的挑戰(zhàn)。
　　1 相關研究
　　目前市面上有各種Linux發(fā)行版，但嚴格來說，Linux指的是Linus Torvalds維護的（及通過主要和鏡像網(wǎng)站發(fā)布的）內(nèi)核。建立嵌入式系統(tǒng)不需要特別的內(nèi)核，一個嵌入式Linux系統(tǒng)只是代表一個基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，本文后面提及的Linux均指Linux內(nèi)核。目前已有很多改善Linux實時性能的工作在進行中。最新的2.6版Linux已經(jīng)實現(xiàn)了可搶占式的內(nèi)核任務調(diào)度，但是不確定的中斷延時問題沒有得到解決。即2.6版的Linux高優(yōu)先級內(nèi)核空間進程雖然能像在用戶空間里那樣搶占低優(yōu)先級進程的系統(tǒng)資源，但是從中斷發(fā)出開始到中斷服務程序的第1條指令開始執(zhí)行的時間是不確定的。
　　除了Linux開發(fā)者的改進工作之外，還有一些組織、公司為提高Linux的實時性做了大量工作。其中有代表性的是Fsm Labs公司的RT-Linux、Monta Vista公司的MontaVista Linux、由Paolo Mantegazza等人維護的RTAI（Realtime Application InteRFace）項目。這些項目采用的方法可歸納為兩類：
　?。?）直接修改Linux內(nèi)核。MontaVista Linux采用的就是這種方法。它將Linux修改成稱為Relatively Fully Preemptable Kernel的可搶占式內(nèi)核，并使現(xiàn)了實時調(diào)度機制和算法，增加了一個細粒度定時器，這樣就將Linux修改成為一個軟實時內(nèi)核。
　?。?）“雙內(nèi)核”方式。RTAI項目和RT-Linux采用了這種方法。這種方法將傳統(tǒng)Linux“架空”，作為新增加的小型實時內(nèi)核的一個優(yōu)先級最低的任務執(zhí)行，而實時任務則作為優(yōu)先級最高的任務。即在實時任務存在的情況下運行實施任務，否則才運行Linux本身的任務。
　　MontaVista和RT-Linux的局限性在于它是一個商用軟件，不遵循GNU 的源代碼開放原則。若要在系統(tǒng)中使用這種Linux，則需要支付一筆頗為可觀的授權費用，這就違背了使用Linux的初衷—— 開源、免費，能夠發(fā)展自己的知識產(chǎn)權。
　　RTAI為了實時性能舍棄了Linux固有的很多優(yōu)點：對大量硬件的廣泛支持，優(yōu)秀的穩(wěn)定性、可靠性。開發(fā)者一方面要針對RTAI自定義的一個硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer）重新編寫驅(qū)動程序，而且龐大的Linux開發(fā)社區(qū)的成果也無法方便地應用到實時核心中。
　　2 影響Linux實時性的因素
　　2.1 任務切換及其延時
　　任務切換延時是Linux從一個進程切換到另一個進程所需的時間，即高優(yōu)先級進程從發(fā)出CPU 資源申請到進程的第1條指令開始執(zhí)行的間隔。在實時系統(tǒng)中，任務切換延時必須越短越好。如之前所提到的，Linux 2.6.X已經(jīng)實現(xiàn)了可搶占式內(nèi)核，高優(yōu)先級內(nèi)核空間進程可以像在用戶空間中那樣讓CPU在任何時候停止低優(yōu)先級進程轉(zhuǎn)而執(zhí)行自己。但是有2種例外情況：
　　（1）進程在臨界區(qū)（Critical Section）中執(zhí)行的時候不能被其他進程搶占；
　　（2）中斷服務程序（Interrupt Service Routine）不能被其他進程搶占。
　　2.2 基于優(yōu)先級的調(diào)度算法
　　在Linux 2.6中，采用了O（1）調(diào)度算法。它是一個基于優(yōu)先級的搶先式調(diào)度器，為每一個進程分配一個唯一的優(yōu)先級，調(diào)度器保證在所有等待運行的任務中，首先被執(zhí)行的總是高優(yōu)先級的任務，為此高優(yōu)先級的任務能夠搶占低優(yōu)先級的任務。
　　這個調(diào)度器開銷恒定，與當前系統(tǒng)開銷無關，能夠改善系統(tǒng)實時性能。但是調(diào)度系統(tǒng)沒有提供除CPU以外的其他資源剝奪運行，實時性能沒有得到根本改觀。如果兩個任務需要使用同一個資源（如高速緩存），高優(yōu)先級的任務已準備就緒，而此刻低優(yōu)先級的任務正在用這個資源，高優(yōu)先級的任務就必須等待，直到低優(yōu)先級任務結束釋放了該資源后才能被執(zhí)行，這被稱為優(yōu)先級倒置。
　　2.3 中斷延時、中斷服務程序
　　中斷延時指的是從外設發(fā)出中斷信號開始到ISR的第1條指令開始執(zhí)行的時間間隔。由外部中斷引起的實時任務需求是實時系統(tǒng)處理量的主要組成部分，足夠快地中斷響應和迅速地中斷服務程序處理是衡量實時系統(tǒng)的重要性能指標。不同的ISR執(zhí)行時間是不一樣的，即使是相同的ISR也可能因為有多個出口而有不同的執(zhí)行時間。而ISR執(zhí)行時外部中斷是被禁用的，造成這樣一種情況，即使Linux的中斷延時非常小，如果在一個ISR執(zhí)行時某個外設也產(chǎn)生了一個中斷信號，因為正在執(zhí)行的ISR運行時間的不確定性和不可搶占性，也會產(chǎn)生Linux的中斷延時的不可預測性。
　　3 系統(tǒng)實時性能的提高
　　3.1 任務切換機倒的建立
　　在2.1節(jié)中提到進程在臨界區(qū)中執(zhí)行的時候不能被搶占的問題，為了不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、減少調(diào)試和測試的時間，我們不打算對此進行修改，而引入一個機制保證實時任務能夠得到優(yōu)先執(zhí)行。即在實時系統(tǒng)中，只有當進程的臨界區(qū)能在下一個實時任務開始之前結束才被允許進入。
　　如何判斷下一個實時任務中斷信號的產(chǎn)生時間，一般來說中斷信號是為了那些開始時間不可預測的任務而設定的，它的產(chǎn)生是完全隨機的。為了使中斷信號的時間能夠被預測，將中斷信號的產(chǎn)生與時鐘中斷掛鉤：中斷信號只能與時鐘中斷同時產(chǎn)生。時鐘中斷由系統(tǒng)計時硬件以周期性間隔產(chǎn)生。這個間隔由內(nèi)核根據(jù)Hz值設定。Hz是一個與體系結構有關的常數(shù)，在文件中定義。當前的Linux為大多數(shù)平臺定義的Hz值是100，亦即時鐘中斷周期是10ms。顯然這是達不到實時系統(tǒng)定時精度要求的。提高Hz值能夠帶來系統(tǒng)性能提升，但卻是以增加系統(tǒng)開銷為代價。這就必須仔細權衡實時性要求和系統(tǒng)開銷的平衡。一種方法是通過大量的測試確定的實時任務中斷請求發(fā)生的時間間隔和進程在臨界區(qū)中的執(zhí)行時間，取一個稍大于大多數(shù)實時任務中斷間隔和臨界區(qū)執(zhí)行時間的數(shù)值。