Linux操作系統(tǒng)實時性分析及改進策略

2 影響Linux實時性能的主要因素
在Linux系統(tǒng)中，響應(yīng)中斷的過程如下：設(shè)備產(chǎn)生一個中斷、中斷處理函數(shù)開始執(zhí)行、喚醒任務(wù)并在運行隊列排隊、任務(wù)獲取CPU并開始執(zhí)行、任務(wù)執(zhí)行完畢。圖1為事件處理過程各個階段圖以及影響響應(yīng)時間的因素（每個階段下面的字母A~J表示這個階段中影響響應(yīng)時間的因素）：
由圖中可以分析出導(dǎo)致Linux系統(tǒng)不能滿足實時系統(tǒng)短的響應(yīng)時間和確定的執(zhí)行行為的要求的主要因素有以下方面：
（1）Linux操作系統(tǒng)存在關(guān)中斷的機制。導(dǎo)致的結(jié)果是：如果低優(yōu)先級的進程由于進入臨界區(qū)或者為了盡快完成任務(wù)而關(guān)閉了中斷，那么即使有高優(yōu)先級實時進程的中斷發(fā)生系統(tǒng)也無法響應(yīng)。這種情況在實時系統(tǒng)中是不允許發(fā)生的。
（2）Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核是禁止搶占的。一個進程一旦進入內(nèi)核，它將運行直到系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束或進程被阻塞。這時候一個高優(yōu)先級的實時進程只能等待。這樣的設(shè)計是為了簡化任務(wù)調(diào)度，但對實時進程來說這樣的時間等待是不允許的。
（3）Linux使用的是基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度策略。這種調(diào)度策略不能保證實時任務(wù)按時完成。Linux雖然給實時進程提供了較高的優(yōu)先級，但是，并沒有加入時間限制。例如完成的最后期限、應(yīng)在多長時間內(nèi)完成、執(zhí)行周期等等。例如，Linux的基于時間片的調(diào)度策略可能使得一個實時進程在一個時間片內(nèi)未完成，其優(yōu)先級將降低，從而可能造成到截止時間實時任務(wù)無法完成。
（4）其他方面
Linux利用交換空間讓進程運行在一個比實際內(nèi)存大的虛擬內(nèi)存空間中。當(dāng)進程訪問的虛擬內(nèi)存的內(nèi)容在交換空間里時，Linux就要把在交換空間里的頁面交換到實際的內(nèi)存中，而這段時間是不可預(yù)測的，這造成了實時響應(yīng)時間的不確定性；
在Linux中，高優(yōu)先級的進程不能搶占低優(yōu)先級進程的資源。即如果高優(yōu)先級的進程要使用低優(yōu)先級進程正在使用的資源時，它必須等待低優(yōu)先級的進程釋放資源，這樣容易產(chǎn)生優(yōu)先級倒置；
另外，Linux的周期模式定時器頻率僅為100Hz，遠不能滿足多種實時應(yīng)用的要求。
Linux之所以有以上問題，是因為它最主要的設(shè)計原則是最大限度的利用各種資源，力求最公平的調(diào)度各個進程，以獲得最大的整體性能，這也正是通用操作系統(tǒng)的設(shè)計原則。
3 Linux關(guān)中斷機制
Linux內(nèi)核可以看成是一個不斷對請求進行響應(yīng)的服務(wù)器，這些請求可能來自正在cpu上執(zhí)行的進程，也可能來自正在執(zhí)行中斷請求的外部設(shè)備。因此，內(nèi)核的各個部分并不是嚴(yán)格按照順序依次執(zhí)行的，而是采用交錯執(zhí)行的方式。內(nèi)核控制路徑是指內(nèi)核用來處理系統(tǒng)調(diào)用、異常或中斷所執(zhí)行的指令序列。在交錯執(zhí)行內(nèi)核控制路徑時，要避免可能帶來的數(shù)據(jù)混亂的危險，因此引入了臨界區(qū)的概念。臨界區(qū)是指一段代碼，在其他的內(nèi)核控制路徑能夠進入臨界區(qū)前，進入臨界區(qū)的每一內(nèi)核控制路徑都必須全部執(zhí)行完這段代碼。
另外，在Linux操作系統(tǒng)中，大部分外部中斷都是開啟的，中斷處理一般由設(shè)備驅(qū)動程序來完成。由于通用操作系統(tǒng)中的用戶進程一般都沒有實時性要求，而中斷處理程序直接跟硬件設(shè)備交互，可能有實時性要求，因此中斷處理程序的優(yōu)先級被設(shè)定為高于任何用戶進程。 但對于實時操作系統(tǒng)采用上述的中斷處理機制是不合適的。外部中斷是環(huán)境向?qū)崟r操作系統(tǒng)進行的輸入，它的頻度是與環(huán)境變化的速率相關(guān)的，而與實時操作系統(tǒng)無關(guān)。如果外部中斷產(chǎn)生的頻度不可預(yù)測，則一個實時任務(wù)在運行時被中斷處理程序阻塞的時間開銷也是不可預(yù)測的，從而使任務(wù)的實時性得不到保證。因此，Linux內(nèi)核的進程經(jīng)常關(guān)閉中斷以盡快完成自己的任務(wù)。但同時也引入了問題：如果低優(yōu)先級的進程關(guān)閉了中斷，那么即使有高優(yōu)先級實時進程的中斷發(fā)生系統(tǒng)也無法響應(yīng)。這種情況在實時系統(tǒng)中也是不允許發(fā)生的。
4、RTLinux的雙內(nèi)核解決方案
4．1基本思想
針對Linux的關(guān)中斷機制，RTLinux提出了采用虛擬機技術(shù)模擬Linux關(guān)中斷的解決方法。基本思想如下：Linux不直接與中斷控制硬件進行聯(lián)系，而是在二者之間加入了一個中斷控制硬件的仿真層，這個仿真層只提供實時服務(wù)，它使得Linux在不能禁止中斷的同時，還能對Linux內(nèi)核的同步需求提供支持。一旦中斷到來，就先由該仿真層處理，在仿真層完成了所有需要進行的實時處理后，才會交給Linux進行進一步的處理。如果Linux已經(jīng)進行了禁止中斷的操作，則仿真層只是將該中斷標(biāo)記為處于掛起狀態(tài)。當(dāng)Linux進行了允許中斷的操作后，仿真層就會將控制切換到處于掛起狀態(tài)的、具有最高優(yōu)先級中斷的中斷處理程序。
4．2工作原理
將Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核作為一個任務(wù)執(zhí)行在一個小的實時操作系統(tǒng)之上。事實上，Linux是這個實時操作系統(tǒng)的空閑的任務(wù)，它僅在沒有實時任務(wù)運行的情況下執(zhí)行。Linux作為一個任務(wù)本身不能禁止中斷。解決Linux禁止中斷的問題是通過在實時內(nèi)核中模擬Linux中斷例程完成的。當(dāng)Linux內(nèi)核執(zhí)行cli()禁止中斷時，一個軟中斷標(biāo)志被設(shè)置。當(dāng)一個中斷發(fā)生時，實時內(nèi)核將捕獲中斷并根據(jù)這個標(biāo)志和中斷掩碼來決定是否將該中斷交給Linux內(nèi)核處理。因此，雖然允許Linux禁止中斷，但中斷對實時內(nèi)核總是可見的。如果該中斷將引起一個實時任務(wù)的執(zhí)行，則實時內(nèi)核保存Linux的狀態(tài)并立即開始執(zhí)行實時任務(wù)。如果不是實時中斷，中斷就被掛起，之后查看Linux對該中斷的操作狀態(tài)，如果Linux沒有禁止此中斷，就將該中斷交給Linux，由Linux執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。如果Linux禁止中斷，則在Linux重新開啟中斷時，實時內(nèi)核處理所有掛起的中斷交由Linux執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。
4．3具體實現(xiàn)
對于軟中斷，RT-Linux在初始化模塊Init_module()中首先調(diào)用結(jié)構(gòu)相關(guān)函數(shù)arch_takeover() 來覆蓋原來的關(guān)中斷相關(guān)的函數(shù)，主要有：使用rtl_soft_cli替換__cli；使用rtl_soft_sti替換__sti；使用rtl_soft_save_flags替換__save_flags_ptr；使用rtl_soft_restore_flags替換__restore_flags。
處理中斷時，使用rtl_intercept()來代替do_IRQ()，用來執(zhí)行與一個中斷相關(guān)的所有中斷服務(wù)例程。這里主要做的修改是將實時中斷與普通Linux中斷分開處理。
1）它首先調(diào)用函數(shù)rtl_irq_controller_get_irq(regs)判斷是否獲取到中斷，
2）如果獲取到中斷，并且是實時irq請求，就調(diào)用dispatch_rtl_handler執(zhí)行實時irq對應(yīng)的中斷服務(wù)例程，然后，從中斷返回。
3）如果是非實時irq請求，就掛起irq請求G_PEND(irq)，設(shè)置掛起標(biāo)志表明有掛起的irq請求G_SET(g_pend_since_sti)。
若Linux開啟了中斷，就解除irq掛起狀態(tài)G_UNPEND(irq)，調(diào)用函數(shù)dispatch_Linux_irq執(zhí)行該irq對應(yīng)中斷服務(wù)程序，之后從中斷返回。
當(dāng)實時進程與普通進程進行通信時使用實時FIFO技術(shù)。當(dāng)insmod將rtl_FIFO.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進程和實時任務(wù)都可使用實時FIFO，如圖2所示。

任何硬實時任務(wù)都是在RTLinux的控制下運行的，該任務(wù)一般可執(zhí)行周期性任務(wù)、處理中斷并與I/O設(shè)備驅(qū)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實時任務(wù)需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。
下面說明實時FIFO的使用方法：
1）FIFO是在init_module()時調(diào)用rtf_create()創(chuàng)建的，在cleanup_module()中調(diào)用rtf_destroy()撤銷。
2）在創(chuàng)建FIFO時，可以調(diào)用rtf_create_handler()注冊該實時FIFO的處理程序。每次Linux進程讀或?qū)懺揊IFO時，rtl_FIFO驅(qū)動程序都要調(diào)用該處理程序。
3）對FIFO的寫入和讀出是通過函數(shù)rtf_put()和rtf_get()來實現(xiàn)的。任何讀出或?qū)懭雽崟r任務(wù)一側(cè)的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。
如上例數(shù)據(jù)采集，可以注冊一個FIFO。當(dāng)有中斷表明數(shù)據(jù)到來時，該中斷服務(wù)例程可以調(diào)用rtf_put()將數(shù)據(jù)寫入FIFO，而Linux進程就可以使用rtf_get()從FIFO中讀出數(shù)據(jù)進行處理。
5、結(jié)束語
RTLinux的雙內(nèi)核解決方案還可以結(jié)合實時內(nèi)核與非實時OS內(nèi)核的綜合優(yōu)勢，實時進程與普通Linux進程之間使用實時FIFO傳遞信息。即可以提高實時系統(tǒng)的可用性，也可以節(jié)省計算資源，同時將實時系統(tǒng)的一部分任務(wù)劃分出來，降低了實時內(nèi)核需要處理的復(fù)雜度，提高了實時的計算效率。