張 帆，求 偉，韓大鵬

ZHANG Fan1，QIU Wei1，HAN Da-peng2

（1.武警杭州指揮學(xué)院 信息技術(shù)教研室，杭州 310023；2.浙江省女子監(jiān)獄 信息技術(shù)科，杭州 310012）

0 引言

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)。一般的說，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能及時(shí)響應(yīng)外部發(fā)生的隨機(jī)事件，并以足夠快的速度完成對(duì)事件處理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)計(jì)算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間，如果系統(tǒng)的時(shí)間約束條件得不到滿足，將會(huì)發(fā)生系統(tǒng)出錯(cuò)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)有反應(yīng)式和嵌入式兩種類型。反應(yīng)式實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)與環(huán)境發(fā)生連續(xù)的互作用，而嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要用于控制大型系統(tǒng)中安裝的特殊硬件。

1 衡量實(shí)時(shí)性的指標(biāo)

一般來講，性能是一個(gè)軟件系統(tǒng)或組件對(duì)時(shí)間要求滿足程度的一種指示。這里的時(shí)間指標(biāo)可以用響應(yīng)時(shí)間和吞吐量來衡量，該時(shí)間值是指響應(yīng)某種要求所需的時(shí)間，而吞吐量用以指示系統(tǒng)在特定時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的請(qǐng)求數(shù)量。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與一般商用多任務(wù)操作系統(tǒng)如Unix、Windows有共同的特點(diǎn)，也有不同的特點(diǎn)。對(duì)于商用多任務(wù)操作系統(tǒng)，其目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源，追求吞吐量；而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求在限定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)，追求實(shí)時(shí)性、可確定性、可靠性。

評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以從任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、任務(wù)通訊、內(nèi)存開銷、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等幾個(gè)方面來衡量。其中最大中斷禁止時(shí)間和任務(wù)切換時(shí)間是評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

2 標(biāo)準(zhǔn)Linux制約實(shí)時(shí)性的因素

由于Linux系統(tǒng)本身是一個(gè)面向桌面的系統(tǒng)，其主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源，追求系統(tǒng)資源最大利用率，而不是有確定可預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性能。所以將它應(yīng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用中時(shí)存在響應(yīng)時(shí)間不可預(yù)測(cè)、時(shí)鐘粒度粗糙等問題。

2.1 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指從系統(tǒng)接到即時(shí)處理程序的中斷（interrupt）請(qǐng)求，到開始執(zhí)行該處理程序間的時(shí)間差，如圖1所示。

圖1 響應(yīng)時(shí)間

影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的因素包括：中斷延遲（interrupt Latency）、中斷服務(wù)例程運(yùn)行時(shí)間（Interrupt handler duration）、調(diào)度延遲（Scheduler Latency）和調(diào)度程序運(yùn)行時(shí)間（Scheduling duration）。

2.1.1 中斷延遲

中斷延遲即中斷響應(yīng)時(shí)間，是指從產(chǎn)生中斷請(qǐng)求到相應(yīng)中斷服務(wù)程序的第一條指令被執(zhí)行之間的這段時(shí)間。由于中斷具備有優(yōu)先級(jí)而且可以嵌套產(chǎn)生，因此可以測(cè)知優(yōu)先級(jí)最高的中斷在執(zhí)行時(shí)的延遲時(shí)間。然而產(chǎn)生中斷延遲的原因除了處理器響應(yīng)時(shí)間外，更重要的是操作系統(tǒng)往往會(huì)大大增加中斷被延遲的時(shí)間。在操作系統(tǒng)運(yùn)行過程中，存在著一些關(guān)鍵的操作，這些操作在執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)禁止在其間插入任何中斷。因此如果一個(gè)中斷請(qǐng)求在操作系統(tǒng)禁止中斷的這段時(shí)間里產(chǎn)生，那么對(duì)它的處理就會(huì)始終保持在掛起狀態(tài)，直到操作系統(tǒng)重新允許中斷插入。最終，中斷延遲在最壞情況下的數(shù)值是和操作系統(tǒng)關(guān)鍵操作中的指令序列在中斷請(qǐng)求產(chǎn)生后繼續(xù)執(zhí)行的時(shí)間緊密相關(guān)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)就是要確保系統(tǒng)中的關(guān)鍵事件能夠在限定的時(shí)間段內(nèi)被處理。

2.1.2 調(diào)度延遲

較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)度延遲有許多原因。其一是驅(qū)動(dòng)在入口處或中斷服務(wù)例程進(jìn)行了許多操作；其二是由于缺乏調(diào)度點(diǎn)，內(nèi)核長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行一部分代碼，這些都導(dǎo)致了內(nèi)核長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有得到機(jī)會(huì)去進(jìn)行調(diào)度運(yùn)算。簡(jiǎn)單的解決方法是使調(diào)度程序運(yùn)行得更加頻繁。但實(shí)際上這個(gè)問題并不那么簡(jiǎn)單。首先，如果調(diào)度程序運(yùn)行過于頻繁，將引發(fā)頻繁的進(jìn)程切換，導(dǎo)致過多的CPU和內(nèi)存資源的浪費(fèi)；其次會(huì)影響中斷服務(wù)時(shí)機(jī)的選擇和服務(wù)的質(zhì)量，再次影響進(jìn)程IPC。引發(fā)過多的資源協(xié)調(diào)問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。因此讓調(diào)度器保持一個(gè)有規(guī)律的運(yùn)行節(jié)拍，但是又不能過于頻繁的運(yùn)行很重要。正確的解決方法是，讓調(diào)度器在需要的時(shí)候盡快運(yùn)行，例如：中斷發(fā)生以后，需要重新調(diào)度，從就緒隊(duì)列中選擇下一個(gè)進(jìn)程。

2.2 時(shí)鐘問題

操作系統(tǒng)環(huán)境建立之后，任務(wù)的執(zhí)行和中止在很多情況下都是由時(shí)鐘直接或間接喚起的，時(shí)鐘也是操作系統(tǒng)活動(dòng)的基準(zhǔn)。為了提高系統(tǒng)的平均吞吐率，Linux 2.6將時(shí)鐘中斷的最小間隔設(shè)置為1毫秒，雖然相比2.4內(nèi)核的10毫秒有了很大的提高，但是實(shí)時(shí)應(yīng)用一般都需要微秒級(jí)的響應(yīng)精度，1ms的時(shí)鐘粒度顯然不能滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。如果要把時(shí)鐘的間隔縮小以滿足周期性的實(shí)時(shí)任務(wù)的需要，但是Linux的進(jìn)程切換比較費(fèi)時(shí)，時(shí)鐘中斷越頻繁，而花在中斷處理上的時(shí)間就越多,系統(tǒng)的大部分時(shí)間是調(diào)用進(jìn)程調(diào)度程序進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度而不能進(jìn)行正常的處理。

3 嵌入式Linux實(shí)時(shí)化改進(jìn)措施

3.1 增加kernel可搶占性。

一般內(nèi)核的不可搶占性使實(shí)時(shí)任務(wù)無法提供任務(wù)的調(diào)度權(quán)，可以通過修改源碼，將系統(tǒng)調(diào)用的過程細(xì)分，縮小禁止中斷、內(nèi)核加鎖的范圍。增加調(diào)度器運(yùn)行的時(shí)機(jī)。

3.2 對(duì)中斷進(jìn)行軟件模擬

采用軟件對(duì)中斷模擬，在Linux內(nèi)核下增加一個(gè)軟件層，來控制中斷和處理器關(guān)鍵操作。對(duì)cli（關(guān)中斷）和sti（開中斷）命令進(jìn)行封裝，在調(diào)用cli或者sti時(shí),只是更改中斷的標(biāo)記位,并不真正的去開、關(guān)中斷。例如：RT-Linux，由兩個(gè)子內(nèi)核構(gòu)成，一個(gè)用于Linux環(huán)境，一個(gè)用于實(shí)時(shí)環(huán)境，可以有效改善系統(tǒng)中斷延遲時(shí)間的問題。

3.3 采用高精度定時(shí)器

一般內(nèi)核無法提供高精度時(shí)鐘，也即無法高精度分辨實(shí)時(shí)任務(wù)的到來。采用高精度定時(shí)器，為系統(tǒng)提供更多的剝奪點(diǎn)。通過系統(tǒng)硬件提供的高精度時(shí)鐘，可以解決時(shí)鐘粒度過大的問題。

3.4 改進(jìn)調(diào)度算法

雖然Linux進(jìn)程調(diào)度也支持實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，但缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法，無法滿足HRT、QoS等的任務(wù)需求，可以通過向調(diào)度器增加hook或改造調(diào)度器來改善。目前有很多新穎的操作系統(tǒng)調(diào)度框架和調(diào)度算法都有Linux實(shí)現(xiàn)，比如RED-Linux所定義的一個(gè)通用的實(shí)時(shí)調(diào)度框架；QLinux所采用的分層式的CPU調(diào)度框架，及新穎的調(diào)度算法如H-SFQ，以及Cello磁盤調(diào)度算法等；SILK所使用的將對(duì)一個(gè)包的網(wǎng)絡(luò)處理抽象成PATH，然后在PATH之間進(jìn)行調(diào)度。

3.5 采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的好處。調(diào)試用戶進(jìn)程要比調(diào)試內(nèi)核進(jìn)程要容易許多，用戶進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行，不同模塊間的內(nèi)存管理錯(cuò)誤不會(huì)互相影響，驅(qū)動(dòng)程序可以充分利用內(nèi)核提供的多線程機(jī)制。另一好處是系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，既可以小到100K，可以放入ROM，也可以大到足以適應(yīng)多機(jī)系統(tǒng)的需要。移植及維護(hù)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)都很方便。切換上下文速度快，由于內(nèi)核很小，可以方便的計(jì)算出最差的時(shí)間參數(shù)，如中斷響應(yīng)時(shí)間。微內(nèi)核的一個(gè)弱點(diǎn)是性能不好，因?yàn)閮?nèi)核需要大量的進(jìn)程通信和上下文切換。只能提供簡(jiǎn)單的服務(wù)，相同的任務(wù)微內(nèi)核系統(tǒng)要調(diào)用較多的系統(tǒng)調(diào)用。

4 結(jié)論

隨著應(yīng)用的復(fù)雜化和硬件的發(fā)展，一個(gè)嵌入式控制器系統(tǒng)可能要同時(shí)控制和監(jiān)視很多外設(shè)，要求有實(shí)時(shí)響應(yīng)，有很多處理任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間有多種信息傳遞，因此嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用，實(shí)時(shí)性是絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的需求，研究嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)時(shí)化技術(shù)及其在典型嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)具有重要的意義。Linux以其諸多的優(yōu)勢(shì)不但在桌面操作系統(tǒng)中獲得了巨大的成功，通過對(duì)其實(shí)時(shí)性能等方面的改造，必將在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

[1]鄒思軼.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,2002.

[2]Daniel P.Bovet,Marco Cesati.深入理解LINUX內(nèi)核.第二版[M].中國電力出版社,2004.

[3]李小群,趙慧斌.Linux 實(shí)時(shí)調(diào)度方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2003,5.

[4]趙慧斌,李小群.改善Linux 核心可搶占性方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2004,2.