華東石油局物探研究院系統(tǒng)保障部 姜 岸

基于Linux的實時操作系統(tǒng)的研究

華東石油局物探研究院系統(tǒng)保障部 姜 岸

本文分析和研究了Linux系統(tǒng)在實時性方面存在的問題，并分析了實時系統(tǒng)的原理，以及提出了 實時Linux系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應用程序的結(jié)構(gòu)。

Linux；實時操作系統(tǒng)；FIFO；實時應用程序

一、引言

隨著計算機性能的不斷提高，人們對計算機的數(shù)據(jù)處理能力提出了新的要求，比如在視頻數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理等。因此，實時操作系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率成為當前計算機用戶關(guān)注的焦點。目前，比較流行的實時操作系統(tǒng)主要有兩大類：基于DOS的實時操作系統(tǒng)和基于UNIX操作系統(tǒng)。

基于DOS的實時操作系統(tǒng)是指在原有DOS的基礎(chǔ)上，提高其相應功能來實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)的特性，但是，由于DOS系統(tǒng)存在單任務的缺陷，因而其只能適應于需求時間較小任務量較少的實時任務處理。

基于UNIX的操作系統(tǒng)是通過UNIX的分時系統(tǒng)設計實時操作系統(tǒng)，來達到實時操作系統(tǒng)的最優(yōu)平均性能。因此，基于UNIX的實時操作成為當前主要的實時操作系統(tǒng)，但其存在價格昂貴和應用開發(fā)環(huán)境匱乏的缺陷。由于Linux操作系統(tǒng)是開放源代碼的類UNIX的操作系統(tǒng)，同時性能穩(wěn)定，處理數(shù)據(jù)效率高，是一款性能高價格低廉的操作系統(tǒng)。

鑒于此，基于Linux的操作系統(tǒng)來開發(fā)一個高效性能的實時操作系統(tǒng)是可行的。

二、標準Linux系統(tǒng)在實時特性方面所存在的問題

實時操作系統(tǒng)的實時特性主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）運行期間和處理數(shù)據(jù)的高可靠性特性；（2）處理數(shù)據(jù)請求的及時特性；（3）完成數(shù)據(jù)請求和處理的時限保證特性，即實時操作系統(tǒng)必須保證在指定的數(shù)據(jù)請求的響應時間內(nèi)或者數(shù)據(jù)處理時間內(nèi)完成請求或者處理任務，具有此功能的操作系統(tǒng)也稱為硬實時操作系統(tǒng)；如果沒有在數(shù)據(jù)處理請求，或者數(shù)據(jù)處理時間期限內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，即未能實現(xiàn)時限保證特性，此類實時操作系統(tǒng)也稱為軟實時操作系統(tǒng)。

實時操作系統(tǒng)的實時性主要體現(xiàn)在時限保證，因此，超出時限保證范圍的大小直接反映著實時操作系統(tǒng)的性能，即最壞情況?？紤]到實時操作系統(tǒng)多方面的性能，所以，在設計Linux實時操作系統(tǒng)時，采用最優(yōu)平均性能來衡量操作系統(tǒng)的實時性。

1.Linux的調(diào)度問題

Linux操作系統(tǒng)的調(diào)度問題主要是指進程調(diào)度。Linux操作系統(tǒng)的核心是不可競爭的，在規(guī)定的時間內(nèi)對進程實現(xiàn)等級優(yōu)先調(diào)度。一個等級較低的進程在調(diào)用系統(tǒng)核心進程時，則其會被操作系統(tǒng)掛起，只有當?shù)燃壐叩膬?nèi)核進程完成后，才能繼續(xù)執(zhí)行，但是，在執(zhí)行系統(tǒng)核心進程期間，其完成時間的不可預測性可能造成等待后續(xù)進程的持久掛起，進而不能滿足系統(tǒng)的實時性。

2.Linux的進程問題

Linux操作系統(tǒng)的進程問題主要包括進程的同步和進程的互斥問題。Linux操作系統(tǒng)的進行同步和進程互斥是通過信號量來實現(xiàn)的。在信號量的使用過程中，其存在信號量的加鎖操作和解鎖操作。由于信號量的頻繁加鎖和解鎖操作會造成一定量時間的損耗，同時影響操作系統(tǒng)的實時特性。鑒此，Linux操作系統(tǒng)采用了粗粒度策略，但是仍然存在信號的加鎖和解鎖的問題，其系統(tǒng)性能較差。

3.Linux內(nèi)存鎖問題

與其他操作系統(tǒng)一樣，Linux操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理方面，同樣采用虛擬內(nèi)存管理策略，即數(shù)據(jù)在處理過程中，進程會被系統(tǒng)換入內(nèi)存和換出到虛擬內(nèi)存中，頻繁的換入和換出操作會耗費大量的時間。同時，實時操作系統(tǒng)需要將一些主要的或者關(guān)鍵的進程始終運行在內(nèi)存中，但Linux不能保證這種實時要求。

4.Linux的時間問題

Linux操作系統(tǒng)的時間問題包括時間精度問題和定時器問題。操作系統(tǒng)的時間精度的精度越高，則中斷處理就會越頻繁，進而造成耗費時間量大。另外，Linux的硬時間周期一般為100Hz，這就要求Linux的最高時間精度可以為100ms，導致某些實時響應無法在此時間精度內(nèi)完成實時響應。

5.關(guān)中斷問題

Linux處理進程的互斥時，會保護臨界資源，同時會關(guān)掉中斷，但會造成優(yōu)先級別高的進行長時間的阻塞，為了解決此問題，Linux開發(fā)者對其相關(guān)的實時性進行了擴充和增加，但最終只能保證一部分的軟件實現(xiàn)實時應用。

三、實時Linux操作系統(tǒng)

1.基本思想

圖1 實時Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 實時Linux系統(tǒng)應用程序結(jié)構(gòu)圖

實時Linux操作系統(tǒng)最早是由新墨西哥理工學院開發(fā)的。實時操作系統(tǒng)主要是在實時環(huán)境下進行數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理等。為了實時的Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)者研究和設計了可推行的實時內(nèi)核，并將原來的Linux內(nèi)核作為一個進程與用戶實時進程同時調(diào)度，同時將Linux核心進程的等級調(diào)到最低，以便于操作系統(tǒng)的實時進程進行資源推斷，以此來保證系統(tǒng)的實時特性。用戶或者開發(fā)者可以針對實時性的具體應用來開發(fā)或者編寫實時任務，可以采用先進先出的策略來調(diào)度實時任務進程和Linux系統(tǒng)核心進程，其實時Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.原理與設計

（1）中斷模擬

針對關(guān)中斷的問題，實時Linux操作系統(tǒng)設計了一個軟件中斷模擬器，該中斷模擬器位于硬件中斷控制器與系統(tǒng)核心的中間。系統(tǒng)核心的中斷處理包括關(guān)中斷、開中斷和中斷返回。系統(tǒng)接收的全部硬件中斷都會被中斷模擬器接收并處理，當發(fā)生關(guān)中斷時，中斷模擬器進行軟件標志的清除操作；如果發(fā)生中斷，中斷模擬器則檢查軟標志是否已經(jīng)被標志為中斷處理。中斷模擬過程：首先，通過開中斷開啟中斷，并設置中斷堆棧；再次，進行中斷處理；最后，通過中斷返回調(diào)用軟中斷進行返回。

（2）實時任務

用戶可以針對實際情況，設計和編寫自己需要的實時任務并被實時系統(tǒng)所調(diào)度。在早期的處理器中，如80X86，就采用了分頁存儲技術(shù)，有效地保護了各個相互獨立的實時任務，保證了運行過程中上下文切換時寄存器的修改。但是，在80486處理器中，由于采用了虛擬緩沖技術(shù)，造成實時任務的切換過于頻繁，導致系統(tǒng)實時性能下降。因此，為了解決此問題，實時Linux操作系統(tǒng)采用了線程的形式來運行實時任務，減少運行地址空間和上下文切換開銷。另外，實時Linux操作系統(tǒng)通過可加載核心模塊來實現(xiàn)實時任務的加載和卸載，相比之下，比CPU上的上下文切換開銷小，提升了實時Linux操作系統(tǒng)的實時性能。

（3）任務調(diào)度

任務調(diào)度主要是負責實時系統(tǒng)中各個實時任務能夠在規(guī)定的時限內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理。任務調(diào)度是通過實時調(diào)度器來實現(xiàn)的。大部分實時調(diào)度器都未能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的任務調(diào)度，開發(fā)者通過修改相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)調(diào)度。實時Linux操作系統(tǒng)規(guī)定每個進程的優(yōu)先級別，在調(diào)度過程中，根據(jù)進程的優(yōu)先級別進行搶斷運行，級別高的進程優(yōu)秀于級別低的進程運行，每過一個實時時間片，任務調(diào)度器都會執(zhí)行一次新的任務調(diào)度。同時，實時Linux操作系統(tǒng)還有其他實時調(diào)度算法，如時限優(yōu)先算法，即運行時間越短，越優(yōu)先；最早時限優(yōu)先算法等。

（4）時間精度

時間精度的誤差會直接影響實時系統(tǒng)的進程調(diào)度。如果偏差過大容易引起任務釋放抖動，將對實時任務構(gòu)成影響。在一般的操作系統(tǒng)中，采用時間周期調(diào)度任務。在實時Linux操作系統(tǒng)中，對任務調(diào)度的周期進行了改善，根據(jù)當前的系統(tǒng)時間和當前運行的實時任務需求的時間來決定時鐘中斷周期，從而使實時系統(tǒng)在處理實時任務的效率方面有較高的提升。尤其是在80486芯片以上的計算機上，時間精度反映出來的實時速度和效率會更高、更快。

（5）通信機制

實時Linux系統(tǒng)在進程通信過程中采用先進先出策略，并且定義實時先進先出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便于進程的建立、釋放、讀操作和寫操作，其中讀寫操作為原子操作，是不能被掛起的，能夠有效防止進程優(yōu)先級的倒置問題。實時Linux系統(tǒng)在調(diào)度實時任務時，也可以根據(jù)UNIX修過過的任務調(diào)度機制Sysem V IPC來實現(xiàn)任務調(diào)度，比如先進先出管道，消息隊列等。

四、應用程序結(jié)構(gòu)

實時Linux系統(tǒng)的應用程序在開發(fā)之前，實時應用程序開發(fā)者應當首先分析其運行環(huán)境，并把應用軟件分為兩部分：普通部分和實時部分。實時部分的設計要求簡單，且只負責實時任務處理；而普通部分負責數(shù)據(jù)處理。實時Linux系統(tǒng)的實時應用程序的典型的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

五、總結(jié)

實時Linux系統(tǒng)是在原來普通操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行相應的改善，在獲得實時特性的同時，其還保留著對普通操作系統(tǒng)的兼容。針對普通操作系統(tǒng)存在的中斷、進程調(diào)度和通信等問題進行了針對性的分析，同時針對實時系統(tǒng)的實時性，提出了一些相應的解決辦法，并對實時應用軟件進行了結(jié)構(gòu)分析。希望本文能夠?qū)M一步研究如何保證實時系統(tǒng)的QOS，提供重要的參考。

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姜岸（1988—），女，江蘇南京人，大學?？?，主要研究方向：計算機linux。