改善嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能的方法研究

摘要：分析了Linux的實(shí)時(shí)性，針對(duì)其在實(shí)時(shí)應(yīng)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(shí)時(shí)性能的改進(jìn)措施。為提高嵌入式應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間精度,提出兩種細(xì)化Linux時(shí)鐘粒度方法；為增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力,采用插入搶占點(diǎn)和修改內(nèi)核法增強(qiáng)Linux內(nèi)核的可搶占性；為保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求，把原Linux的單運(yùn)行隊(duì)列改為雙運(yùn)行隊(duì)列,硬實(shí)時(shí)任務(wù)單獨(dú)被放在一個(gè)隊(duì)列中,并采用MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度算法。 
關(guān)鍵詞：Linux；實(shí)時(shí)性；調(diào)度策略；搶占 

1 引言 
目前，無(wú)論是在日常生活，還是在工業(yè)控制，航空航天，軍事等方面，嵌入式系統(tǒng)都有著非常廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)目前主要有：Windows CE、VxWorks、QNX等，它們都具有較好的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)可靠性、任務(wù)處理隨機(jī)性等優(yōu)點(diǎn),但是它們的價(jià)格普遍偏高。而嵌入式Linux以其非常低廉的價(jià)格，可以大大的降低成本，逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。但是,作為通用操作系統(tǒng)的Linux，由于其在實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)障礙，要應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域，還必須對(duì)Linux內(nèi)核作必要的改進(jìn)。許多嵌入式設(shè)備都要求與外部環(huán)境有硬實(shí)時(shí)的交互能力，將最初按照分時(shí)系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)的Linux 改造成能支持硬實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)顯得十分重要。幸運(yùn)的是, Linux 及其相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)放源碼特征為深入研究其內(nèi)核并加以改造提供了可行性, 可以修改Linux 內(nèi)核中的各個(gè)模塊以達(dá)到滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用的需求，提高軟件方面的開(kāi)發(fā)速度。目前，改善Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使其適用于實(shí)時(shí)領(lǐng)域吸引了許多研究和開(kāi)發(fā)人員的注意力[1-4]。常用的實(shí)時(shí)性改造方法是采用雙核方法，這種方法的弊端在于實(shí)時(shí)任務(wù)的開(kāi)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。基于此，近年來(lái)修改核的方法越來(lái)越受到科研人員的重視，這種方法是基于已有Linux系統(tǒng)對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)的支持，進(jìn)行源代碼級(jí)修改而使Linux變成一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，參考了修改核方法的思想，從內(nèi)核時(shí)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(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性能的方法。 

2 Linux 在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙

2.1 Linux的實(shí)時(shí)性分析

Linux作為一個(gè)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(biāo)。然而，在實(shí)時(shí)方面它還不能很好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面的需要，其本身僅僅提供了一些實(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(xiàn)程，具有豐富的通信機(jī)制等；同時(shí)也提供了符合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(jí)搶占式調(diào)度策略。Linux區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，并采用不同的調(diào)度策略。

為了同時(shí)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程，Linux的調(diào)度策略簡(jiǎn)單講就是優(yōu)先級(jí)加上時(shí)間片。當(dāng)系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)進(jìn)程到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)賦予它最高的優(yōu)先級(jí)。體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性上，Linux采用了兩種簡(jiǎn)單的調(diào)度策略，即先來(lái)先服務(wù)調(diào)度（SCHED-FIFO）和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度（SCHED-RR）。具體是將所有處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)掛接在一個(gè)run-queue 隊(duì)列中,并將任務(wù)分成實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)，對(duì)不同的任務(wù)，在其任務(wù)控制塊task-struct中用一個(gè)policy屬性來(lái)確定其調(diào)度策略。對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)的硬實(shí)時(shí)任務(wù)采用SCHED-FIFO調(diào)度，使之在一次調(diào)度后運(yùn)行完畢。對(duì)普通非實(shí)時(shí)進(jìn)程，Linux采用基于優(yōu)先級(jí)的輪轉(zhuǎn)策略。

2.2 Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙

盡管Linux本身提供了一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)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(biāo)，基本上沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)應(yīng)用所要滿(mǎn)足的時(shí)間約束，它只是提供了一些相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度策略。因此，實(shí)時(shí)性問(wèn)題是將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一大障礙,無(wú)法在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙具體表現(xiàn)在:

（1）Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過(guò)粗糙，時(shí)鐘中斷周期為10ms，使得其時(shí)間粒度過(guò)大，加大了任務(wù)響應(yīng)延遲。

（2） Linux的內(nèi)核是不可搶占的, 當(dāng)一個(gè)任務(wù)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí),一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)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(dǎo)致優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不確定性，顯然不能滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

（3） Linux采用對(duì)臨界區(qū)操作時(shí)屏蔽中斷的方式，在中斷處理中是不允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的，從而抑制了系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部操作的能力。

（4） 缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法。

針對(duì)這些問(wèn)題，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，必須增強(qiáng)其內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能，從而構(gòu)建出一個(gè)具有實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式系統(tǒng)，適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的需要。

2.3 當(dāng)前增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù)

近年來(lái)，人們對(duì)于Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性一般有兩種策略^[5]：一種是直接修改Linux內(nèi)核,重新編寫(xiě)一個(gè)由優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)調(diào)度器（Real-time Scheduler），替換原有內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度器sched.c，KURT是采用這一方案較為成功的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核，確保其高響應(yīng)特性，實(shí)時(shí)內(nèi)核接管來(lái)自硬件的所有中斷，并依據(jù)是否是實(shí)時(shí)任務(wù)決定是否直接響應(yīng)。新墨西哥科技大學(xué)的RT-Linux，就是基于這種策略而開(kāi)發(fā)的。以上兩種策略有其借鑒之處，但如果綜合考慮任務(wù)響應(yīng)、內(nèi)核搶占性、實(shí)時(shí)調(diào)度策略等幾個(gè)影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要方面，它們還不能很好的滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性問(wèn)題。為了增強(qiáng)嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能，下文將就內(nèi)核時(shí)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(wèn)題重點(diǎn)研究相應(yīng)的解決方法。

3 改善嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能的方法

針對(duì)Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙，將Linux改造成為支持實(shí)時(shí)任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng), 主要從下面三個(gè)方面進(jìn)行著手。

3.1細(xì)化時(shí)鐘粒度

精確的計(jì)時(shí)是實(shí)時(shí)調(diào)度器正確操作所必須的，調(diào)度器通常要求在一個(gè)特定的時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換，計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤將導(dǎo)致背離計(jì)劃的調(diào)度，引起任務(wù)釋放抖動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過(guò)粗糙，時(shí)鐘中斷周期為10ms，不能滿(mǎn)足特定嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)于響應(yīng)時(shí)間精度的要求。因此，在實(shí)時(shí)Linux應(yīng)用中，需要細(xì)化其時(shí)鐘粒度，具體有兩種方式可以解決時(shí)鐘粒度問(wèn)題：一是通過(guò)直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)H_Z的初值來(lái)細(xì)化時(shí)鐘粒度，如將標(biāo)準(zhǔn)Linux中內(nèi)核定時(shí)參數(shù)H_Z改為10000, 則時(shí)鐘粒度可以達(dá)到100us，這種方式雖然會(huì)增加一些系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，但在強(qiáng)周期性環(huán)境下，對(duì)定時(shí)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(guò)對(duì)可編程中斷定時(shí)器8254或先進(jìn)的可編程中斷控制器進(jìn)行編程來(lái)改進(jìn)Linux時(shí)鐘機(jī)制，以提高其時(shí)鐘的分辨率，使毫秒級(jí)的粗粒度定時(shí)器變成微秒級(jí)的細(xì)粒度定時(shí)器。

3.2 增強(qiáng)Linux內(nèi)核的搶占性

標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核是不可搶占的，導(dǎo)致較大的延遲，增強(qiáng)內(nèi)核的可搶占性能，可提高系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力。目前，有兩種方法修改Linux內(nèi)核以提高實(shí)時(shí)任務(wù)搶占非實(shí)時(shí)任務(wù)的能力：一是在內(nèi)核中增加搶占點(diǎn)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(diǎn)方法是在Linux內(nèi)核中插入一些搶占點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行到搶占點(diǎn)時(shí)，如果有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程正在等待運(yùn)行，那么正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核進(jìn)程將會(huì)把CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給等待運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程；如果沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程等待，則當(dāng)前進(jìn)程將繼續(xù)執(zhí)行，此時(shí)系統(tǒng)增加的開(kāi)銷(xiāo)僅僅是檢測(cè)一下調(diào)度標(biāo)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(yùn)行調(diào)度器的機(jī)會(huì)，縮短任務(wù)發(fā)生到調(diào)度函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間間隔。這種方法修改了Linux源代碼中的自旋鎖宏以避免競(jìng)爭(zhēng)，并在其中引入一個(gè)稱(chēng)作搶占鎖計(jì)數(shù)器（PLC）的新的計(jì)數(shù)信號(hào)允許內(nèi)核代碼搶占，當(dāng)它為0時(shí)，允許搶占；當(dāng)其為大于0的任何值時(shí)，禁止搶占。目前，針對(duì)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(bǔ)丁被研制出來(lái)：搶占式補(bǔ)丁和低時(shí)延補(bǔ)丁。其中，搶占式補(bǔ)丁是Monta Vista開(kāi)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(dāng)前進(jìn)程可被安全搶占，當(dāng)自旋鎖釋放或者中斷線(xiàn)程完成時(shí)，調(diào)度器就有機(jī)會(huì)執(zhí)行調(diào)度；低時(shí)延補(bǔ)丁是由Ingo Malnor提出，該方法只是在執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的代碼塊上搶占，不采用強(qiáng)制式搶占，因此，如何找到延時(shí)長(zhǎng)的代碼塊是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

3.3 改善Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器的調(diào)度策略

將進(jìn)入系統(tǒng)的所有任務(wù)按實(shí)時(shí)性分成三類(lèi)：硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)^[6]。硬實(shí)時(shí)要求系統(tǒng)確保任務(wù)執(zhí)行最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，即必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)時(shí)間的截止期限，否則，將引發(fā)致命的錯(cuò)誤；軟實(shí)時(shí)是指統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)，一般整體吞吐量大或整體響應(yīng)速度快，但不能保證特定任務(wù)在指定時(shí)期內(nèi)完成。針對(duì)不同的實(shí)時(shí)性任務(wù)，分別采用不同的調(diào)度方法進(jìn)行處理。

為了嚴(yán)格保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求，改善的Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器采用了優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，目前最小松弛時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法MLF（Minimum-Laxity-First Scheduling Algorithm）是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度最常見(jiàn)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略。它在系統(tǒng)中為每一個(gè)任務(wù)設(shè)定松弛時(shí)間（任務(wù)的松弛時(shí)間等于任務(wù)的截止期減去任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、當(dāng)前時(shí)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(shí)間的任務(wù)。根據(jù)就緒隊(duì)列的各任務(wù)的松弛時(shí)間來(lái)分配優(yōu)先級(jí)，松弛時(shí)間最小的任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)。為了提高Linux的實(shí)時(shí)性，我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)中需對(duì)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的修改。為了區(qū)分任務(wù)的類(lèi)型，對(duì)基本Linux的task_struct屬性進(jìn)行改進(jìn)，在其中增加SCHED_MLF調(diào)度策略，并按task_struct中的policy的取值來(lái)進(jìn)行區(qū)分, 分別用SCHED_MLF，SCHED_RR，SCHED_OTHER來(lái)標(biāo)識(shí)硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)。將處于運(yùn)行狀態(tài)的三類(lèi)任務(wù)放入兩個(gè)隊(duì)列，硬實(shí)時(shí)任務(wù)放入hard_real_queue隊(duì)列, 采用MLF調(diào)度算法，軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)放入non_real_queue隊(duì)列（空閑任務(wù)也在其中），沿用原內(nèi)核的RR調(diào)度算法。這兩個(gè)隊(duì)列可以用一個(gè)run_queue[2]的指針數(shù)組來(lái)指向,如圖1 所示。

圖1 雙對(duì)列任務(wù)運(yùn)行

雙隊(duì)列任務(wù)運(yùn)行過(guò)程與原內(nèi)核的單運(yùn)行隊(duì)列執(zhí)行流程的主要區(qū)別在：首先，各硬實(shí)時(shí)任務(wù)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(shí)時(shí)性能。其次，在判斷是否有軟中斷需要處理之前需判斷硬實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)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(shí)時(shí)任務(wù)投入運(yùn)行，在硬實(shí)時(shí)隊(duì)列為空的條件下才去處理中斷的后半部分(因?yàn)橹袛嗟暮蟀氩糠譀](méi)有硬實(shí)時(shí)任務(wù)緊急)。最后，如果沒(méi)有硬實(shí)時(shí)任務(wù)存在，則說(shuō)明只有run_queue [1]隊(duì)列中有軟實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)任務(wù)存在，這時(shí)的處理方法和原內(nèi)核對(duì)單運(yùn)行隊(duì)列的處理方法相同。這樣改進(jìn)后，可以明顯提高硬實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度效率，而在沒(méi)有硬實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)性能沒(méi)有變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，滲透于社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域，把Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，把Linux自身固有的優(yōu)越性融入嵌入式技術(shù)，是嵌入式技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。然而，由于Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)障礙，要將其應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域還必須修改Linux 內(nèi)核中的各個(gè)模塊以達(dá)到滿(mǎn)足嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。本文在分析Linux實(shí)時(shí)性的同時(shí)，探討了其本身提供的一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制以及在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙。而后，基于增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù)，從細(xì)化時(shí)鐘粒度、增強(qiáng)內(nèi)核搶占性及實(shí)時(shí)調(diào)度策略三方面入手，提出了改善Linux實(shí)時(shí)性能的優(yōu)化方法。

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