提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性策略

1、 提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性策略 對(duì)很多嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(rtos)可以讓開(kāi)發(fā)工程師掌握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時(shí)間，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。為了理解rtos如何通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級(jí)繼承和中斷處理等概念。在設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備時(shí)，大部分工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師會(huì)認(rèn)為采用rtos是必需的。然而，網(wǎng)際路由器、車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)和多媒體設(shè)備等普通應(yīng)用還需要采用rtos嗎？像linux或windows這樣的通用操作系統(tǒng)是否就能勝任呢？通常，這些產(chǎn)品需要采用rtos，但是這個(gè)問(wèn)題常常直到設(shè)計(jì)階段的后期才能意識(shí)到

2、。rtos對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不但是有益的，而且也是必要的，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)很重要。例如，一個(gè)播放如mpeg格式電影的設(shè)備，如果依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其整個(gè)內(nèi)容傳輸，可能會(huì)出現(xiàn)用戶難以接受的高丟幀率。然而，通過(guò)使用rtos，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠準(zhǔn)確地控制軟件過(guò)程的執(zhí)行順序，從而保證按照給定的媒體速率進(jìn)行播放。上述大部分情況適用于用戶希望對(duì)輸入做出立即響應(yīng)的系統(tǒng)。通過(guò)rtos，開(kāi)發(fā)人員能夠保證由用戶的操作總能得到及時(shí)的響應(yīng)，除非一個(gè)更重要的操作(如一項(xiàng)有助于保障用戶安全的操作)必須首先執(zhí)行?？傊?一個(gè)好的rtos支持開(kāi)發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾录龀龇磻?yīng)的時(shí)間，并且能夠以一種可以預(yù)測(cè)并且完全一

3、致的形式滿足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，如果rtos崩潰，這些最終期限就不能被滿足。因此，rtos必須提供高度的可靠性。特別是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機(jī)制。搶占式調(diào)度在像linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對(duì)線程和進(jìn)程的cpu占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級(jí)、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行。事實(shí)上，操作系統(tǒng)有時(shí)甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級(jí)的線程來(lái)為低優(yōu)先級(jí)線程提供cpu時(shí)間。其結(jié)果可能造成對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程很容易地錯(cuò)過(guò)它們的最終期限，甚至在一個(gè)高速的高端處理器上運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。而在rtos中

4、，線程按照其優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行。如果一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的線程準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，它將在一個(gè)短的、有限時(shí)間間隔內(nèi)從任何可能正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程接管cpu。另外，高優(yōu)先級(jí)的線程能夠不被中斷地運(yùn)行，直到它已經(jīng)完成了需要做的事情當(dāng)然是在不被更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程搶占的前提下。這種方法就是搶占式調(diào)度，保證了高優(yōu)先級(jí)線程始終滿足其最終期限，而不管有多少其它線程正在競(jìng)爭(zhēng)cpu時(shí)間。通過(guò)合理地控制線程優(yōu)先級(jí)，開(kāi)發(fā)者能顯著地提高很多對(duì)用戶非常重要的應(yīng)用響應(yīng)速度。然而，控制優(yōu)先級(jí)可能是一把雙刃劍，當(dāng)使用不當(dāng)時(shí)它可能會(huì)潛在地導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不能得到cpu時(shí)間。保證高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程和線程的同時(shí)確保不會(huì)使其它進(jìn)程處于“饑餓”狀態(tài)的關(guān)鍵是要對(duì)它

5、們的執(zhí)行進(jìn)行限制，通過(guò)對(duì)執(zhí)行進(jìn)行調(diào)整或在響應(yīng)加載的過(guò)程中進(jìn)行控制，開(kāi)發(fā)人員能夠限制這些活動(dòng)消耗的cpu時(shí)間比例，并支持低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程獲得對(duì)cpu的共享。優(yōu)先級(jí)控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器(mp3、wav、mpeg2等格式)。媒體播放器需要實(shí)現(xiàn)正常播放所要求的速率(例如44khz的音頻、30fps的視頻)。在這種限制之下，一個(gè)讀線程和一個(gè)顯示線程可以被設(shè)計(jì)成依靠一個(gè)可編程的定時(shí)器來(lái)喚醒，緩沖或顯示一幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)定時(shí)觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機(jī)制，支持高于正常用戶活動(dòng)而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。換句話說(shuō)，如果沒(méi)有更重要的任務(wù)準(zhǔn)備運(yùn)行，媒體播放將始終以給定的媒體

6、速率執(zhí)行。最壞情形搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級(jí)的線程在一個(gè)短的、有限時(shí)間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級(jí)線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測(cè)要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)執(zhí)行一個(gè)給定的操作。因此，任何銷(xiāo)售進(jìn)程模式的rtos的供應(yīng)商都必須提供針對(duì)下面兩種時(shí)間間隔提供最壞情形：線程切換時(shí)間，即當(dāng)兩個(gè)線程處于同一進(jìn)程的情況下，從執(zhí)行一個(gè)線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個(gè)被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；前后關(guān)系切換(context switch)時(shí)間，其定義同上，但僅針對(duì)兩個(gè)線程處于不同進(jìn)程的情況?？梢詫⒕€程看作是最小的“執(zhí)行單元”，而將進(jìn)程看作是一個(gè)或多個(gè)線程的“容器”，進(jìn)程定義了線程將要在其中執(zhí)行的地址空間。顯然，最壞情形的前后

7、關(guān)系切換時(shí)間將比最壞情形的線程切換時(shí)間要慢，盡管在一個(gè)好的rtos設(shè)計(jì)中差別可能是微不足道的。將所有的線程放在幾個(gè)大的進(jìn)程中將是錯(cuò)誤的，因?yàn)榫€程提供的切換速度更快。雖然線程能實(shí)現(xiàn)并行處理優(yōu)勢(shì)因而適合于某些設(shè)計(jì)，但將一個(gè)應(yīng)用分成多個(gè)內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程使得代碼更容易調(diào)試，提供了更好的錯(cuò)誤隔離和恢復(fù)能力，并允許系統(tǒng)進(jìn)行新功能的動(dòng)態(tài)升級(jí)?？蓳屨嫉膬?nèi)核在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不可能搶占一個(gè)內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個(gè)調(diào)用完成，即使這個(gè)調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個(gè)客戶線程執(zhí)行的時(shí)候，所有的

8、優(yōu)先級(jí)信息常常會(huì)丟失，這導(dǎo)致了不可預(yù)測(cè)的延遲并阻止了關(guān)鍵活動(dòng)的準(zhǔn)時(shí)完成。而在rtos中,內(nèi)核操作是可搶占的。盡管仍然會(huì)存在一些時(shí)間窗口，在這些時(shí)間窗口中可能沒(méi)有搶占，但是這些時(shí)間間隔應(yīng)該是相當(dāng)短暫的，通常在幾百納秒。另外，必須有一個(gè)關(guān)于搶占被推遲或中斷被禁止的時(shí)間上限，這樣開(kāi)發(fā)者可以確定最壞情形下的等待時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡(jiǎn)潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作(如進(jìn)程加載)的操作必須被安排到外部進(jìn)程或線程。這種方法有助于通過(guò)內(nèi)核確保最長(zhǎng)的不可搶占代碼路徑具有一個(gè)時(shí)間上限。優(yōu)先級(jí)繼承然而，為一個(gè)進(jìn)程設(shè)定一個(gè)高優(yōu)先級(jí)并不總能保證該進(jìn)程能夠搶占低

9、優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。有時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一種稱為優(yōu)先級(jí)倒置(priority inversion)的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將在“無(wú)意中”阻止較高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程占用cpu。優(yōu)先級(jí)倒置可能會(huì)表現(xiàn)為幾種形式，為了防止發(fā)生這種情況，rtos必須提供一種稱為優(yōu)先級(jí)繼承的功能。12假定系統(tǒng)有三個(gè)進(jìn)程：a(低優(yōu)先級(jí))，b(中等優(yōu)先級(jí))，z(高優(yōu)先級(jí))。這里z是一個(gè)為a和b提供服務(wù)的“服務(wù)器”進(jìn)程。參見(jiàn)圖1。現(xiàn)在假定a已經(jīng)請(qǐng)求z來(lái)執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，而在這期間，突然b需要z的服務(wù)。因?yàn)閎擁有比a更高的優(yōu)先級(jí)，一般會(huì)認(rèn)為z將立即掛起a的請(qǐng)求并將轉(zhuǎn)向?yàn)閎服務(wù)。但是實(shí)際情況并非如此，因?yàn)閦比b具有更高的優(yōu)先級(jí)。其結(jié)果是，

10、b不能阻止z完成它當(dāng)前的工作，即對(duì)a做出響應(yīng)。從效果上看，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程a占用了更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程b的cpu時(shí)間，這是引入優(yōu)先級(jí)繼承的原因。通過(guò)使用rtos提供的優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制，系統(tǒng)可以在a發(fā)出請(qǐng)求的情況下，讓z繼承a的低優(yōu)先級(jí)。通過(guò)這種方式，b能夠在任何時(shí)候搶占a的請(qǐng)求。如果一個(gè)應(yīng)用程序分布于幾個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的處理器，那么rtos也應(yīng)該支持分布式優(yōu)先級(jí)繼承，這樣可以按照優(yōu)先級(jí)的順序處理來(lái)自多個(gè)處理器的請(qǐng)求。如果沒(méi)有優(yōu)先級(jí)繼承，一個(gè)多處理器系統(tǒng)可能會(huì)落入無(wú)限的優(yōu)先級(jí)倒置和死鎖中。中斷處理為了獲得對(duì)外部事件的及時(shí)響應(yīng)，最小化硬件中斷發(fā)生到執(zhí)行該中斷的第一條代碼的時(shí)間很重要。這個(gè)時(shí)間間隔稱為中斷延遲，

11、為了保證中斷延遲盡可能小，一個(gè)好的rtos應(yīng)該在幾乎所有時(shí)間內(nèi)都支持產(chǎn)生中斷。正如在關(guān)于內(nèi)核搶占部分提到的那樣，一些重要的代碼段的確需要暫時(shí)屏蔽中斷。這種最大的屏蔽時(shí)間通常被定義為最大的中斷延遲。在某些情況下，硬件中斷處理器必須調(diào)度并運(yùn)行一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的線程(例如在一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中)。在這樣的情況下，中斷處理器將返回并指示一個(gè)事件將被處理。這樣的處理將引入了第二種形式的延遲調(diào)度延遲，這個(gè)延時(shí)必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。調(diào)度延遲是介于用戶的中斷處理器的最后一條指令和驅(qū)動(dòng)程序線程第一條指令的執(zhí)行之間的時(shí)間。在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)硬件中斷。例如，在一個(gè)病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)傳感器記錄了病人心跳

12、的一次變化并且網(wǎng)卡接收到網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)的同時(shí)，護(hù)士按了觸摸屏。很明顯，一些中斷(如心率的變化)應(yīng)該立即得到處理，而其他的則可以延緩。通過(guò)提供對(duì)嵌套中斷的支持，rtos支持嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先處理更高優(yōu)先級(jí)的中斷。如何提高可靠性我們已經(jīng)明白怎樣使rtos具有可以預(yù)測(cè)性，但是如何實(shí)現(xiàn)其可靠性呢？答案在很大程度上取決于rtos的架構(gòu)。例如在實(shí)時(shí)執(zhí)行模式架構(gòu)中，大部分或所有軟件組件都在一個(gè)單一的內(nèi)存地址空間中運(yùn)行，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等。雖然很有效率，但這種架構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺陷：1. 在任何組件中的一個(gè)指針錯(cuò)誤，不論這個(gè)錯(cuò)誤多么細(xì)微，都可能破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核或任何其它組件，導(dǎo)致

13、不可預(yù)測(cè)的行為和整個(gè)系統(tǒng)的崩潰；2. 很難動(dòng)態(tài)修復(fù)或替換任何有故障的組件。在大多數(shù)情況下，出現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)復(fù)位是唯一的選擇。一些rtos，也像linux一樣，試圖通過(guò)使用單內(nèi)核架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在這種架構(gòu)中，用戶的應(yīng)用程序在隔離的、受保護(hù)內(nèi)存地址空間中運(yùn)行。如果一個(gè)應(yīng)用程序試圖訪問(wèn)其地址空間之外的數(shù)據(jù)，內(nèi)存管理單元(mmu)將通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可能會(huì)采取保護(hù)措施，例如終止出錯(cuò)進(jìn)程。然而，這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數(shù)或所有驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務(wù)綁定到內(nèi)核中。因此，任何組件中的一個(gè)錯(cuò)誤都可能帶來(lái)災(zāi)難性的內(nèi)核故障。第三種方法是采用微內(nèi)核(mricokernel)架構(gòu)來(lái)提供更精確的故障

14、隔離，像qnx neutrino這樣的操作系統(tǒng)都基于微內(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核有兩個(gè)明確的特征：1. 在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含了基本os服務(wù)的小內(nèi)核(如信號(hào)量、定時(shí)器、任務(wù)調(diào)度等)。包括驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶應(yīng)用程序在內(nèi)的所有其它的組件在內(nèi)核外部分離的、保護(hù)內(nèi)存的進(jìn)程中運(yùn)行。有問(wèn)題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點(diǎn)，而是在它破壞其它服務(wù)或操作系統(tǒng)內(nèi)核之前被終止并重啟。2. 所有的組件能夠通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信，一個(gè)定義良好的通信機(jī)制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實(shí)現(xiàn)的消息傳遞也可以作為一個(gè)虛擬的“軟件總線”，允許幾乎任何的軟件組件，甚至是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被動(dòng)態(tài)地加入

15、或替換，對(duì)于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)相比，微內(nèi)核支持嵌入式設(shè)備贏得明顯更快的平均修復(fù)時(shí)間(mttr)。例如，如果一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序失敗將可能出現(xiàn)以下情況：操作系統(tǒng)可以終止該驅(qū)動(dòng)程序，回收其正在使用的資源，并對(duì)其進(jìn)行重新啟動(dòng)，這個(gè)過(guò)程通常這只需要幾個(gè)毫秒時(shí)間。盡管和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，基于消息傳遞的微內(nèi)核rtos通常提供了更好的容錯(cuò)性和動(dòng)態(tài)升級(jí)能力，也有一些觀點(diǎn)認(rèn)為消息傳遞增加了開(kāi)銷(xiāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果實(shí)現(xiàn)正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內(nèi)存帶寬。例如，一個(gè)微內(nèi)核rtos可以采用多段式(multipart)消息和線程到線程的消息數(shù)據(jù)直接拷貝等各種技術(shù)，

16、來(lái)確保系統(tǒng)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)的進(jìn)程間通信(ipc)方法的水平。由一些組織如dedicated systems(網(wǎng)址：www.omimo.be)等進(jìn)行的獨(dú)立測(cè)試證實(shí)，和傳統(tǒng)的rtos相比，微內(nèi)核rtos在一系列的實(shí)時(shí)指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在很多情況下甚至有更好的表現(xiàn)。策略決策rtos有助于使一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序具有可預(yù)測(cè)性和可靠性。當(dāng)然，選擇一個(gè)合適的rtos本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，而rtos的底層架構(gòu)是選擇的重要依據(jù)，此外還有一些其它因素，包括：1. 調(diào)度算法的靈活選擇。rtos應(yīng)該支持調(diào)度算法的選擇(先入先出(fifo)、輪詢(round robin)、零星調(diào)度等)并支持以線程為單位設(shè)定這些算法。這

17、樣，工程師就可以不必將一個(gè)算法用到系統(tǒng)中的所有線程。2. 圖形用戶界面(gui)。rtos使用的是原始的圖形庫(kù)還是能支持多層界面、多路顯示、3d渲染以及其它高級(jí)的圖形功能的真正的窗口系統(tǒng)？能很容易定制gui的外觀嗎？gui支持同時(shí)顯示和輸入多種語(yǔ)言(漢語(yǔ)、韓語(yǔ)、日語(yǔ)、英語(yǔ)、俄語(yǔ)等)嗎？3. 遠(yuǎn)程診斷工具。因?yàn)閷?duì)很多嵌入式系統(tǒng)而言，中斷系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)是無(wú)法接受的。rtos供應(yīng)商應(yīng)該提供診斷工具，這些工具能夠在不中斷系統(tǒng)服務(wù)的前提下分析系統(tǒng)的行為。要尋找能提供代碼覆蓋、應(yīng)用測(cè)評(píng)、跟蹤分析和內(nèi)存分析工具的供應(yīng)商。4. 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。rtos提供商提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于像eclipse那樣的開(kāi)放平臺(tái)

18、，允許工程師嵌入所喜愛(ài)的第三方工具來(lái)進(jìn)行建模、版本控制嗎？還是開(kāi)發(fā)環(huán)境基于專(zhuān)利技術(shù)？5. 互聯(lián)網(wǎng)功能。rtos支持預(yù)集成最新的ipv4、ipv6、ipsec、sctp和具有nat功能的ip過(guò)濾等協(xié)議棧套件嗎？它支持嵌入式網(wǎng)絡(luò)瀏覽器嗎？瀏覽器應(yīng)該具有可擴(kuò)展的封裝模式，并能夠在很小的屏幕上繪制網(wǎng)頁(yè)。它也應(yīng)該支持像html 4.01、xhtml 1.1、ssl 3.0和 wml 1.3這樣的標(biāo)準(zhǔn)。6. 標(biāo)準(zhǔn)api。rtos將你限定到專(zhuān)有的api之中了嗎？還是它對(duì)于像posix這樣的標(biāo)準(zhǔn)api提供了完全的支持，這使得將代碼移植到其它操作系統(tǒng)，或者從其它操作系統(tǒng)移植代碼變得更容易？另外，所用的rtos提供完全一致性的api還是僅僅支持被定