劉 劍 仲 宇 王 琦

北京航天自動控制研究所，北京100854

Linux作為一個免費、源碼開放、可裁剪且可移植的操作系統(tǒng)，在嵌入式領域應用廣泛。2016年，Linux操作系統(tǒng)在嵌入式市場上占到了55%的份額，遙遙領先于其它嵌入式軟件開發(fā)平臺，基于Linux開發(fā)的嵌入式應用產(chǎn)品也非常豐富。但是，嵌入式領域的很多應用程序被要求在限定時間內(nèi)能夠及時響應，而Linux和Windows一樣是一個通用的分時操作系統(tǒng)，尚不能滿足高實時性任務場景的需要。目前，WindRiver公司生產(chǎn)的VxWorks、微軟公司生產(chǎn)的WindowsCE等商業(yè)實時操作系統(tǒng)在嵌入式實時領域占據(jù)了統(tǒng)治地位[1-2]。

但是，這些商用實時操作系統(tǒng)價格昂貴、源碼不開放，無法滿足我國關(guān)鍵行業(yè)對實時操作系統(tǒng)的自主可控要求。另外，國內(nèi)自主研發(fā)的實時操作系統(tǒng)主要有中航工業(yè)計算所的天脈操作系統(tǒng)、翼輝信息的SylixOS實時操作系統(tǒng)等，這些實時操作系統(tǒng)既不基于linux也不開源。因此，將Linux操作系統(tǒng)改造成實時操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一個重要的研究方向，國外很多科研機構(gòu)都對Linux的實時性進行了深入研究，提出了一些有效的實時性改造方法。本文對主流的Linux實時改造方案進行分類總結(jié)，并比較了這些方案的優(yōu)勢和不足。

1 Linux內(nèi)核的實時性現(xiàn)狀[3]

Linux遵循通用操作系統(tǒng)的設計思想，追求高吞吐量和公平性，沒有進行專門的實時性設計。雖然Linux定義了實時進程，但只能達到軟實時操作系統(tǒng)的指標。因此，必須對Linux內(nèi)核的某些體制進行改造，才能將Linux改造成一個硬實時操作系統(tǒng)。

1.1 內(nèi)核不完全可搶占

Linux運行時分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)2種模式，進程通過系統(tǒng)調(diào)用從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。2.6版本之后的Linux內(nèi)核已經(jīng)支持可搶占式進程調(diào)度，Linux操作系統(tǒng)的實時性得到了加強，但是內(nèi)核中很多由自旋鎖(sPinlock)保護的臨界區(qū)仍然不能搶占。

1.2 中斷不可搶占

Linux操作系統(tǒng)把中斷分為top-halves和bottom-halves兩部分，當中斷級別為top-halves時，操作系統(tǒng)會禁止其它任務搶占和中斷搶占，當中斷級別處于bottom-halves時，才允許其它中斷打斷。Linux操作系統(tǒng)設計之初就是作為通用操作系統(tǒng)供用戶使用，所以在關(guān)閉中斷時，系統(tǒng)外部事件無法得到響應，造成任務響應延遲，這在實時系統(tǒng)中是無法接受的。另外，如果外部I/O中斷頻繁發(fā)生，實時任務就很難得到調(diào)度。

1.3 時鐘粒度過粗

Linux2.6內(nèi)核把時鐘Tick的頻率提高到了1000Hz，即Linux的最小時鐘粒度為1ms，對于任務周期小于1ms的實時任務來說，仍然無法滿足需求。在嵌入式領域，一些周期性的實時任務對實時性要求更高，可能會達到幾十μs到幾百μs。如果單純地提高時鐘頻率，比如106Hz，可以達到1μs的時鐘分辨率，但是這樣做會使得時鐘中斷過于頻繁，導致大部分時間都浪費在上下文切換，從而嚴重影響操作系統(tǒng)的性能。

1.4 實時調(diào)度策略不足

Linux操作系統(tǒng)將進程分為實時進程和普通進程，實時進程比普通進程優(yōu)先調(diào)度。因為Linux早期版本中的實時調(diào)度策略只有先到先服務(FIFO)和時間片輪轉(zhuǎn)(Round Robin)2種實時調(diào)度策略[4]，缺少基于截止期的實時調(diào)度策略[5]，所以無法處理突發(fā)型計算和完成時間高度敏感的任務。Linux中普通進程的調(diào)度策略為完全公平調(diào)度算法(Completely Fair Schedule，CFS)。雖然實時進程總是優(yōu)先于普通進程運行，但只能實現(xiàn)軟實時，還不能滿足高實時性要求的應用。

1.5 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

當一個低優(yōu)先級的進程A搶先占用了某種臨界區(qū)資源，從而導致同樣需要這個資源的高優(yōu)先級進程C被阻塞，而另一個不需要此臨界區(qū)資源的就緒進程B(B的優(yōu)先級在A與B之間)獲得了CPU的控制權(quán)，于是高優(yōu)先級進程C需要等待比它低優(yōu)先級的進程B，這種現(xiàn)象被稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)[6]。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是影響Linux實時性的重要因素，嚴重時會導致系統(tǒng)崩潰。Linux內(nèi)核尚未實現(xiàn)應對優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的機制。

1.6 虛擬內(nèi)存

Linux操作系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存管理方案[7-8]。由于頁面交換處于最高中斷優(yōu)先級，且與慢速硬盤進行頁面交換的耗時較長，導致輸入請求無法獲得及時響應。對于實時任務而言，這種內(nèi)存與外存之間頁面交換帶來的響應時間不確定性是不能容忍的。

2 Linux實時性改造方法

經(jīng)過國內(nèi)外研究人員幾十年的研究，提出了很多有效的Linux實時性改造方法，這些方法不斷改進、融合，逐漸形成了2種典型的改進技術(shù)路線：雙內(nèi)核技術(shù)路線和直接修改內(nèi)核技術(shù)路線[9]。

2.1 雙內(nèi)核技術(shù)路線

雙內(nèi)核的核心思想是在原Linux內(nèi)核的基礎上增加一個實時內(nèi)核，實時任務在實時內(nèi)核中運行，原來的內(nèi)核作為運行在實時內(nèi)核上的優(yōu)先級最低的一個任務。

2.1.1 RT-Linux(Real Time Linux)[10]

美國新墨西哥州立大學在標準Linux內(nèi)核上增加一個實時內(nèi)核，將非實時進程以及原Linux內(nèi)核作為實時內(nèi)核上的低優(yōu)先級進程，而其它實時進程作為實時內(nèi)核上的高優(yōu)先級進程，形成了RT-Linux操作系統(tǒng)。原Linux系統(tǒng)的任務可以通過FIFO或共享內(nèi)存與實時任務進行通信。為了達到Linux實時化的目的，RT-Linux主要采用如下方式[11]：

1)將標準Linux內(nèi)核與中斷控制器隔離，禁止其任意關(guān)閉中斷，系統(tǒng)中的所有中斷均由實時內(nèi)核進行處理，然后再傳給原來的標準Linux內(nèi)核。這樣就保證了實時內(nèi)核中的實時任務有效執(zhí)行，不受標準Linux內(nèi)核的干擾。盡管對標準Linux內(nèi)核進行了這樣的改動，但是原內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整性并沒有被破壞；

2)改變時鐘中斷機制。RT-Linux需要粒度更細的時鐘，所以它將時鐘中斷設置為單次觸發(fā)模式，根據(jù)最近需要執(zhí)行進程的時間需求，不斷調(diào)整定時器的時間間隔；

3)提供用戶定制化實時調(diào)度程序的機制。RT-Linux用一種靈活的做法在內(nèi)部實現(xiàn)了一個通用的調(diào)度模塊。用戶可以開發(fā)符合自己具體需求的調(diào)度模塊，然后加入到RT-Linux系統(tǒng)中；

4)RT-Linux通過共享內(nèi)存、命名管道(RTFIFO)等通信機制高效率地實現(xiàn)了實時進程與普通進程之間的通信。

RT-Linux是一種比較有代表性的Linux實時性改造方案，但是已被WindRiver公司收購并商業(yè)化。RT-Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 RT-Linux結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 RTAI(Real-Time Application Interface)[12]

意大利米蘭理工學院研制的RTAI源于RT-Linux，它在設計思想上和RT-Linux完全相同。RTAI和RT-Linux最大的不同在于它在Linux上定義了一組實時硬件抽象層RTHAL或者ADEOS，接管了Linux對硬件平臺的控制權(quán)。這種方式能夠避免大量修改Linux內(nèi)核代碼，便于RTAI移植到新版Linux內(nèi)核上。RTHAL和ADEOS這2種技術(shù)本質(zhì)上是相同的，只是因為版權(quán)問題，使得RTAI后來的實現(xiàn)轉(zhuǎn)向了ADEOS。RTAI按照模塊機制設計，它的實時內(nèi)核有3個基本組成部分：中斷分發(fā)器、實時調(diào)度器和實時通信器。如上面提到的實時調(diào)度器，也可以加載FIFO，共享內(nèi)存等實現(xiàn)實時通信器。基于模塊機制的設計使得RTAI可以根據(jù)實際要求進行擴展和裁剪。另外，RTAI雖然實時性能較好、移植難度小且開源，但是更新速度比較慢，對ARM硬件平臺支持也不夠。RTAI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 RTAI體系結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 Xenomai[13]

Xenomai和RTAI的實現(xiàn)本質(zhì)上是相同的。 Xenomai不能繞過ADEOS與硬件交互，而RTAI可以，所以Xenomai的中斷延遲長于RTAI。但是Xenomai更加關(guān)注的是用戶態(tài)下的實時性、提供與VxWorks、RTAI及POSIX等多套與主流商業(yè)實時操作系統(tǒng)兼容的API接口。Xenomai的目標是將那些依賴商業(yè)實時操作系統(tǒng)的應用程序盡可能平滑地移植到GNU/Linux環(huán)境。最后，Xenomai社區(qū)活躍，緊跟Linux內(nèi)核最新官方版本，對硬件支持廣泛，支持多種架構(gòu)，在Linux實時化改造方案中也是一個研究熱點。Xenomai系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 Xenomai系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 直接修改內(nèi)核技術(shù)路線

直接修改內(nèi)核技術(shù)路線的共同思想是針對Linux內(nèi)核制約實時性的因素，直接修改Linux內(nèi)核源代碼，使其本身具有實時能力。

2.2.1 RED-Linux(Real-Time and Embedded Linux)[14]

加州大學Irvine分校開發(fā)的RED-Linux是一個軟實時操作系統(tǒng)。RED-Linux從RT-Linux那里借鑒了軟件模擬中斷管理器的機制，并且提高了時鐘中斷頻率。在實現(xiàn)內(nèi)核可搶占之后，RED-Linux為Linux又添加了3個特性：1)源自于RT-Linux的高精度時鐘；2)軟件模擬中斷管理器；3)通用實時調(diào)度器框架。它同時支持3種類型的進程調(diào)度算法：基于時間驅(qū)動的進程調(diào)度算法(Time-driven Scheduling)、基于優(yōu)先級的進程調(diào)度算法(Priority-driven Scheduling)和基于CPU的進程調(diào)度算法(Share-driven Scheduling)[15-16]。RED-Linux的設計目標是提供一個可以支持各種調(diào)度算法的通用調(diào)度框架，該系統(tǒng)為每個任務增加了Priority(任務優(yōu)先級)、Start-Time(任務開始時間)、Finish-Time(任務完成時間)和Budget(任務在運行期間所要使用的資源多少)這幾項屬性，并將它們作為進程調(diào)度的依據(jù)。通過合理地調(diào)整這些屬性的取值及調(diào)度程序按照什么樣的優(yōu)先順序來使用這些屬性值，從而實現(xiàn)所有的調(diào)度算法。但是，Red-Linux是一個軟實時操作系統(tǒng)，所以在硬實時指標實現(xiàn)方面還需要進一步完善。RED-Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 RED-Linux調(diào)度框架圖

2.2.2 Kurt-Linux(Kansas University Real-Time Linux)[17]

美國Kansas大學開發(fā)的Kurt-Linux是第一個支持標準Linux系統(tǒng)調(diào)用的實時系統(tǒng)，它可以提供μs級的實時精度。Kurt-Linux將系統(tǒng)分為3種狀態(tài)：正常態(tài)、實時態(tài)和混合態(tài)。在正常態(tài)時，它采用普通的Linux的調(diào)度策略，此時與標準Linux內(nèi)核相同，但是時鐘粒度由時鐘中斷機制UTIME決定，可以達到μs級。在混合態(tài)時，系統(tǒng)同時運行實時任務和非實時任務，但是此時內(nèi)核不能被搶占，不能完全保證實時任務的及時調(diào)度。實時態(tài)時只調(diào)度實時任務，普通任務被掛起。Kurt-Linux相對于RT-Linux的一個優(yōu)點就是支持Linux系統(tǒng)自身的系統(tǒng)調(diào)用。但是，由于它在實現(xiàn)上只是簡單地用一個簡單的時間驅(qū)動調(diào)度器替代原來的Linux調(diào)度器，造成實時進程的調(diào)度很容易受到其它非實時任務的影響。目前Kurt-Linux的應用比較廣泛，比如多媒體播放軟件、ARTS(ATM Reference Traffic System)等。

2.2.3 RT-patch(Realtime Preemption Patch)

實時搶占補丁(RT-patch)是由Ingo Molnar和Thomas Gleixner更新維護[18-19]，由開源自動化開發(fā)實驗室(OS-ADL)對其穩(wěn)定性測試，OS-ADL于2015年10月將RT-patch控制權(quán)轉(zhuǎn)移給了Linux基金會。每隔2個Linux版本，RT-patch就會更新一次，目前，RT-patch近80%的內(nèi)容被官方Linux項目接收[20]，融入到發(fā)行版的Linux內(nèi)核中。和其它在標準Linux內(nèi)核中增加實時搶占方法不同，RT-patch在原有的低延遲補丁和搶占補丁的基礎上，加入中斷線程化、高精度時鐘、優(yōu)先級繼承和互斥鎖替換自旋鎖等新的特性，將Linux內(nèi)核修改成完全可搶占式內(nèi)核，使其具有硬實時能力。RT-patch相比于雙內(nèi)核方案最大的優(yōu)勢在于它遵循POSIX標準，使用該補丁時，實時系統(tǒng)的應用程序和驅(qū)動程序與非實時系統(tǒng)的應用程序和驅(qū)動程序差異很小。因此，在使用該補丁的平臺上做相應的開發(fā)比雙內(nèi)核機制的方案更容易。另外，該補丁與硬件平臺相關(guān)性小，可移植性高，擁有龐大的社區(qū)支持，如果開發(fā)人員編寫一個實時應用程序，不需要知道太多關(guān)于RT-patch的知識，也不需要任何特殊的庫和API，只需要標準的C庫、Linux驅(qū)動程序和POSIX程序即可。

2.3 Linux實時性改造技術(shù)比較

除上述幾種實時性Linux產(chǎn)品技術(shù)方案外，還有德州大學和馬薩諸塞大學的Qlinux、TimeSys公司的TimeSys Linux及卡耐基梅隆大學的Linux/RK等，但是均未得到廣泛應用，受到的關(guān)注程度較小，因此本文不再贅述。

通過對上文各種Linux實時性改造技術(shù)的研究探討，論述了各種Linux實時性改造技術(shù)的基本原理和實現(xiàn)細節(jié)。表1對各種Linux實時性改造技術(shù)的優(yōu)缺點進行了對比。

表1 Linux實時性改造技術(shù)優(yōu)缺點比較

3 總結(jié)與展望

設本文在分析Linux內(nèi)核實時性不足的基礎上，論述了6種主流的Linux實時性改造技術(shù)，并分別對這6種Linux實時性改造技術(shù)的適用性、優(yōu)缺點進行分析比較。從現(xiàn)階段研究成果來看，RTAI、Xenomai和RT-patch等Linux實時性改造技術(shù)的研究相對比較深入，在工程領域也得到了成熟應用。而由于RT-patch已經(jīng)得到了Linux的官方認可，其近80%的內(nèi)容已經(jīng)加入了Linux內(nèi)核主線，所以在RT-patch的助力下，未來Linux內(nèi)核本身將會向滿足硬實時要求的方向發(fā)展。向用戶提供可配置的實時性備選方案。

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