嵌入式Linux實時化技術(shù)

1、嵌入式linux實時化技術(shù)支持powerpc、等多種處理器，逐漸被用于多種關(guān)鍵性場合。其中實時多媒體處理、工業(yè)控制、等特定應用對linux提出了強實時性需求1。linux提供了一些實時擴展，但需要舉行實時性改造。本文針對嵌入式linux實時化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問題舉行了研究，如linux內(nèi)核時延，實時化主流技術(shù)計劃及其評價等。linux內(nèi)核時延主流linux雖然部分滿足posix 1003.1b實時擴展標準，但還不徹低是一個實時操作系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為：* 任務調(diào)度與內(nèi)核搶占2.6版本內(nèi)核添加了許多搶占點，使進程執(zhí)行在內(nèi)核代碼時也可被搶占。為支持內(nèi)核代碼可搶占，在2.6版內(nèi)核中通過采納禁用中斷的自旋

2、鎖來庇護臨界區(qū)。但此時假如有低優(yōu)先級進程在臨界區(qū)中執(zhí)行，高優(yōu)先級進程即使不拜訪低優(yōu)先級所庇護的臨界區(qū)，也必需等待低優(yōu)先級進程退出臨界區(qū)。* 中斷延遲在主流linux內(nèi)核設(shè)計中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務，使高優(yōu)先級任務被堵塞的最長時光不確定。而且，因為內(nèi)核為庇護臨界區(qū)需要關(guān)閉中斷，越發(fā)增長了高優(yōu)先級任務堵塞時光。* 時鐘精度linux通過硬件時鐘編程來產(chǎn)生毫秒級周期性時鐘中斷舉行內(nèi)核時光管理，無法滿足實時系統(tǒng)較高精度的調(diào)度要求。內(nèi)核定時器精度同樣也受限于時鐘中斷，無法滿足實時系統(tǒng)的高精度定時需求。* 其他延遲此外，linux內(nèi)核其他子系統(tǒng)也存在多種延遲。比如為了增加內(nèi)核性能和削減內(nèi)存消耗，l

3、inux僅在需要時裝載程序地址空間相應的內(nèi)存頁。當被存取內(nèi)容（如代碼）不在ram中則內(nèi)存管理單元（mmu）將產(chǎn)生頁表錯誤（page-fault）觸發(fā)頁面裝載，造成實時進程響應時光不確定。linux實時化技術(shù)進展主流linux內(nèi)核1.x、2.2.x和2.4.x版本的linux內(nèi)核無搶占支持，直到2.6版本的linux內(nèi)核才支持可搶占內(nèi)核，支持臨界區(qū)外的內(nèi)核搶占和可搶占的大內(nèi)核鎖。在此基礎(chǔ)上，linux采納了下列兩類實時化技術(shù)。* 雙內(nèi)核方式linux內(nèi)核實時化雙內(nèi)核方式以rtlinux、rtai和xenomai等為典型代表。其中rt-linux實現(xiàn)了一個微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)支持底層任務管理、中斷服

4、務例程、底層任務通信隊列等。一般linux作為實時操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級任務，linux下的任務通過fifo命名管道和實時任務舉行通信，1所示。圖1 雙內(nèi)核架構(gòu)的linux實時化技術(shù)當linux要關(guān)閉中斷時，實時微內(nèi)核會截取并記錄這個哀求，通過軟件來模擬中斷控制器，而沒有真正關(guān)閉硬件中斷，避開了因為關(guān)中斷所造成的響應延遲。rt-linux將系統(tǒng)實時時鐘設(shè)置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時鐘精度。rtai類似rtlinux的實現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，形成一個實時硬件抽象層（rthal)，使其實時任務能在任何時刻中斷一般linux任務，兩者之間通過非堵塞隊列舉行通訊。rtai將挺

5、直修改linux內(nèi)核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。xenomai以rtai為基礎(chǔ)，也稱rtai /fusion。采納了adeos微內(nèi)核替代rtai的硬件抽象層11。其特色還在于仿照了傳統(tǒng)rtos的api接口，推進傳統(tǒng)rtos應用在gnu/linux下的移植。類似還有基于fiasco微內(nèi)核的l4linux等開源項目12。* 內(nèi)核補丁方式雙內(nèi)核實時計劃下，實時任務需要根據(jù)微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)提供的另外一套api舉行設(shè)計。而內(nèi)核補丁方式則不轉(zhuǎn)變linux的api，原有應用程序可在實時化后的操作系統(tǒng)上運行，典型的有早期討論性的kurt-linux和red-linux，商業(yè)版本的montavista

6、 2、timesys 和wind river linux，以及現(xiàn)階段ingo monlnar等人開發(fā)的實時搶占補丁內(nèi)核等3。kurt-linux是第一個基于一般linux的實時操作系統(tǒng)。通過正常態(tài)、實時態(tài)和混合態(tài)舉行實時和非實時任務的劃分。red-linux通過任務多種屬性和調(diào)度程序，可以實現(xiàn)多種調(diào)度算法。采納軟件模擬中斷管理，并在內(nèi)核插入了許多搶占點，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。montavista linux在低延遲補丁以及可搶占內(nèi)核補丁基礎(chǔ)上4，通過開發(fā)內(nèi)核o(1)實時調(diào)度程序并對可搶占內(nèi)核舉行了改進和測試，linux 2.4內(nèi)核時代montavista linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實時性上有

7、較強的優(yōu)勢。timesys linux通過內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時鐘、優(yōu)先級繼承mutex等支持。2.6版本的主流內(nèi)核汲取了以上技術(shù)，支持config_preempt_none，config_preempt_voluntary和config_preempt等多種配置選項。分離適合于計算型任務系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對2.6內(nèi)核montavista推出了實時linux方案，推動了linux內(nèi)核實時化進程。隨后ingo molnar發(fā)布了新的實時搶占補丁，并逐漸成為linux內(nèi)核實時主流技術(shù)，也為包括montavista linux，wind river li

8、nux采納和補充，本文后續(xù)內(nèi)容這要涉及實時搶占補丁。linux實時化技術(shù)及評價2.6版本linux內(nèi)核實時性能有一定增加，雙內(nèi)核方式的linux實時化技術(shù)也在不斷進展中。本來由fsmlab維護的rtlinux，其版權(quán)在2007年2月被wind river購買，先對在開源社區(qū)就不很活躍，rtai支持x386等體系結(jié)構(gòu)，但因為其代碼較難維護、bug較難調(diào)試等緣由，許多開發(fā)者加入了xenomai項目。xenomai支持最新2.6版 linux，相比之下代碼相對穩(wěn)定和可維護，開發(fā)模式較活躍。內(nèi)核補丁方式的linux實時化技術(shù)在2.6版內(nèi)核基礎(chǔ)上做了大量改進，使得內(nèi)核中除了中斷關(guān)閉和irq線程分派、調(diào)度

9、和上下文切換之外的絕大部分代碼都可以被搶占，不行搶占的自旋鎖庇護臨界區(qū)從一千多個削減到幾十個，使得內(nèi)核實時性得到極大的提高，獲得社區(qū)廣泛支持并逐漸成為linux實時化主流技術(shù)。linux內(nèi)核實時化改進實時搶占內(nèi)核補丁針對linux各種延遲舉行了實時化改進5，主要包括了幾個方面的技術(shù)。* 實時搶占內(nèi)核為了實現(xiàn)內(nèi)核徹低可搶占，實時內(nèi)核臨界區(qū)用高性能優(yōu)先級繼承mutex替換本來自旋鎖（spin-lock）來舉行庇護，使得在臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行也可被搶占。惟獨當線程想拜訪一個其他線程正在拜訪的臨界區(qū)時，才被調(diào)度至睡眠，直到所庇護的臨界區(qū)被釋放時被喚醒。在實時搶占內(nèi)核中通過優(yōu)先級繼承機制（pi）在線程被一個低

10、優(yōu)先級線程所持有的資源堵塞時，低優(yōu)先級線程通過繼承被堵塞線程優(yōu)先級，盡快執(zhí)行并釋放所持資源而不被其他線程所搶占。* 新型鎖機制帶來內(nèi)核性能提升實時搶占補丁替換了大內(nèi)核鎖（bkl），將bkl從spinlock改成是mutex，持有bkl的線程也可以被搶占，削減了內(nèi)核調(diào)度延遲。此外，實時搶占補丁通過mutex替代semaphore，避開了不須要的時光負載。實時搶占補丁實現(xiàn)了可搶占的rcu（read copy update）鎖和串行化讀寫鎖，保證了執(zhí)行可預測性，提高了性能。* 中斷線程化實時搶占補丁通過內(nèi)核線程來實現(xiàn)一些硬件中斷和軟件中斷的服務程序。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)處理代碼設(shè)置irq狀態(tài)、檢查線程化的中

11、斷是否使能，并喚醒相關(guān)線程。在中斷線程被調(diào)度執(zhí)行后，舉行中斷服務處理。在實時搶占內(nèi)核中，用戶線程優(yōu)先級可以高于設(shè)備中斷服務線程。實時任務無需等待設(shè)備驅(qū)動處理程序執(zhí)行，減小了實時搶占延遲。* 時鐘系統(tǒng)改進實時搶占內(nèi)核的時鐘系統(tǒng)重新舉行了設(shè)計，實現(xiàn)了高精度定時器6。時鐘精度不再依靠jiffies，使posix定時器和nanosleep精度由詳細硬件所能提供的精度打算，使得gettimeofday能夠提供實時系統(tǒng)所需的精確時光值。* 其他改進linux在用戶層支持性能良好的futex，實現(xiàn)原理類似于內(nèi)核優(yōu)先級繼承mutex，僅在產(chǎn)生競態(tài)時進入內(nèi)核，提高了應用程序性能。此外，實時搶占補丁內(nèi)核還提供mu

12、tex死鎖檢測、延遲跟蹤與測量、中斷關(guān)閉跟蹤與延遲測量、搶占延遲測量等內(nèi)核調(diào)試與診斷、內(nèi)核性能測量與調(diào)優(yōu)等工具、實時trace支持（ftrace）等支持。現(xiàn)階段實時化技術(shù)在各體系結(jié)構(gòu)上逐漸得到了支持，如表1所示。表1 linux實時搶占補丁技術(shù)支持狀況實時搶占內(nèi)核延遲現(xiàn)階段，實時搶占補丁技術(shù)仍處于完美過程中，其表現(xiàn)在以下幾點不足。* 中斷延遲即使不發(fā)生中斷線程搶占，實時搶占內(nèi)核相對本來中斷服務機制額外增強一對上下文切換時光，用于喚醒中斷服務線程執(zhí)行和進入睡眠狀態(tài)。此外，內(nèi)核中還存在少量用raw_spinlock鎖禁用中斷來庇護的臨界區(qū)，需要計算這些鎖造成的中斷延遲。* 任務搶占延遲內(nèi)核搶占延遲

13、主要是因為在內(nèi)核中用法各種鎖機制用于控制任務和中斷對臨界區(qū)的拜訪所造成的，特殊是實時搶占內(nèi)核中為了避開優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)增強的鎖機制帶來了額外時光負載。* 內(nèi)核模塊其他延遲在實時搶占補丁中，內(nèi)存管理模塊還需削減頁表錯誤引起的延遲，降低mlockall內(nèi)存鎖存造成的性能降級影響。實時搶占內(nèi)核中高精度定時器的用法導致了額外定時器管理時光負載。此外，內(nèi)核中一些驅(qū)動程序需要針對實時應用舉行優(yōu)化來提高實時響應。軟浮點處理和軟浮點內(nèi)核需要和實時搶占補丁兼容，能耗管理子系統(tǒng)還需要具備實時系統(tǒng)感知能力。實時搶占內(nèi)核性能測試本文在intel pentium m 1.7 ghz處理器上舉行了測試。測試環(huán)境包括：linux內(nèi)核2.6.25.8最小配置；patch-2.6.25.8-rt7實時補??；libc 2.5+和busybox-1.10.0構(gòu)建initrdfs方式的根文件系統(tǒng)。* 中斷延遲采納實時搶占補丁支持的內(nèi)核中斷延遲測量工具測量中斷關(guān)閉（irq off）時光。在100%負載狀況下，十萬采樣點中，最大值在31 us左右，絕大多數(shù)在1 us左右，2所示。圖2 實時搶占內(nèi)核中斷關(guān)閉延遲分布* 任務搶占延遲內(nèi)核搶占關(guān)閉時光采納實時搶占補丁所支持的內(nèi)核搶占關(guān)閉測量工具測量。實時搶占內(nèi)核和一般linux內(nèi)核狀況比較如表2所示。表2 內(nèi)核任務搶占關(guān)閉時光分布實時應用中周期性任務需要能在確定的時光內(nèi)得到執(zhí)行。實