[摘要] Linux已經(jīng)成為當(dāng)今最流行的操作系統(tǒng)之一，對(duì)嵌入式Linux進(jìn)行實(shí)時(shí)性改進(jìn)是嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性，為以后進(jìn)一步提高Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] Linux實(shí)時(shí)性

一、Linux簡(jiǎn)介

1991年底，Linus Torvalds首次在Internet上發(fā)布了基于Intel386平臺(tái)的Linux源代碼。之后，在眾多Linux愛好者包括許多UNIX專家的努力下，Linux逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)穩(wěn)定可靠、功能完善的操作系統(tǒng)。一些軟件公司，如Red Hat、InfoMagic等也不失時(shí)機(jī)地推出了自己的以Linux為核心的操作系統(tǒng)版本，這大大推動(dòng)了Linux的商品化。在一些大的計(jì)算機(jī)公司的支持下，Linux還被移植到Alpha、PowerPC和Sparc等平臺(tái)上。Linux的使用日益廣泛，版本更新很快，目前的最新版本是2.6。

Linux具有UNIX的所有基本特征:Linux完全支持-POSIX1003.1標(biāo)準(zhǔn)，UNIX上的應(yīng)用程序可以很容易地移植到Linux上來(lái);Linux支持多用戶訪問(wèn)和多任務(wù)編程;Linux采用段頁(yè)式存儲(chǔ)管理機(jī)制;Linux支持動(dòng)態(tài)鏈接，節(jié)省了內(nèi)存空間并提高了效率;Linux 支持EXT3等13種文件系統(tǒng);Linux支持TCP/IP和PPP。

二、標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核制約實(shí)時(shí)性的因素

標(biāo)準(zhǔn)Linux有幾個(gè)機(jī)制嚴(yán)重地影響了實(shí)時(shí)性。

1.內(nèi)核不可搶占

在Linux 2.4和以前的版本，內(nèi)核是不可搶占的，也就是說(shuō)，如果當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，即使當(dāng)前有更緊急的任務(wù)需要運(yùn)行，當(dāng)前任務(wù)也不能被搶占。因此那個(gè)緊急任務(wù)必須等到當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完內(nèi)核態(tài)的操作返回用戶態(tài)后或當(dāng)前任務(wù)因需要等待某些條件滿足而主動(dòng)讓出CPU才能被考慮執(zhí)行，這很明顯嚴(yán)重影響搶占延遲。

在Linux 2.6中，內(nèi)核已經(jīng)可以搶占，因而實(shí)時(shí)性得到了加強(qiáng)。但是內(nèi)核中仍有大量的不可搶占區(qū)域，如由自旋鎖 (spinlock)保護(hù)的臨界區(qū)，以及一些顯式使用preempt_disable失效搶占的臨界區(qū)。中斷服務(wù)程序不能被其他進(jìn)程搶占。

2.中斷關(guān)閉

Linux在一些同步操作中使用了中斷關(guān)閉指令，中斷關(guān)閉將增大中斷延遲，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.共享資源的互斥訪問(wèn)

Linux操作系統(tǒng)一般采用信號(hào)量機(jī)制來(lái)解決共享資源的互斥訪問(wèn)問(wèn)題。如果任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的方式，則傳統(tǒng)的信號(hào)量機(jī)制在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)很容易造成優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題，即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過(guò)信號(hào)量機(jī)制訪問(wèn)共享資源時(shí)，該信號(hào)量已被一低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)在訪問(wèn)共享資源時(shí)可能又被其他一些中等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。

4.中斷總是最高優(yōu)先級(jí)的

在Linux中，中斷(包括軟中斷)是最高優(yōu)先級(jí)的，不論在任何時(shí)刻，只要產(chǎn)生中斷事件，內(nèi)核將立即執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理函數(shù)以及軟中斷，等到所有掛起的中斷和軟中斷處理完畢有才執(zhí)行正常的任務(wù)。因此在標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)上，實(shí)時(shí)任務(wù)根本不可能得到實(shí)時(shí)性保證。例如，假設(shè)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)上運(yùn)行了一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)(即使用了SCHED_FIFO調(diào)度策略并且設(shè)定了最高的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí))，但是該系統(tǒng)有非常繁重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和I/O負(fù)載，那么系統(tǒng)可能一直處在中斷處理狀態(tài)而沒有機(jī)會(huì)運(yùn)行任何任務(wù)，這樣實(shí)時(shí)任務(wù)將永遠(yuǎn)無(wú)法運(yùn)行，搶占延遲將是無(wú)窮大。因此，如果這種機(jī)制不改，實(shí)時(shí)Linux將永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

5.調(diào)度算法和調(diào)度點(diǎn)

在Linux 2.4和以前的版本，調(diào)度器的時(shí)間復(fù)雜度是O(n)的，而且在SMP的情況下性能低，因?yàn)樗械腃PU共享一個(gè)任務(wù)鏈表，任何時(shí)刻只能有一個(gè)調(diào)度器運(yùn)行。因此，搶占延遲很大程度上以來(lái)于當(dāng)前系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)，具有非常大的不確定性和不可預(yù)測(cè)性。

在2.6內(nèi)核中引入的O(1)調(diào)度器很好地解決了這些問(wèn)題。此外，即使內(nèi)核是可搶占的，也不是在任何地方可以發(fā)生調(diào)度，例如在中斷上下文，一個(gè)中斷處理函數(shù)可能喚醒了某一高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，但是該進(jìn)程并不能立即運(yùn)行，因?yàn)樵谥袛嗌舷挛牟荒馨l(fā)生調(diào)度，中斷處理完了之后內(nèi)核還要執(zhí)行掛起的軟中斷，等它們處理完之后才有機(jī)會(huì)調(diào)度剛才喚醒的進(jìn)程。在標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核中，調(diào)度點(diǎn)(有意安排的執(zhí)行任務(wù)調(diào)度的點(diǎn))并不多，對(duì)2.4和2.6內(nèi)核測(cè)試的結(jié)果表明，缺乏調(diào)度點(diǎn)是影響Linux實(shí)時(shí)性的一個(gè)因素。

三、結(jié)論

由于Linux本身基于通用目的操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其實(shí)時(shí)性能并不是很強(qiáng)。但通過(guò)一定的改進(jìn)爭(zhēng)強(qiáng)其實(shí)時(shí)性能，就可以用于實(shí)時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性，為以后進(jìn)一步提高Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下基礎(chǔ)。

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