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1 引言
分析了Linux的實(shí)時(shí)性,針對其在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙,在參考了與此相關(guān)研究基礎(chǔ)上,從三方面提出了改善Linux實(shí)時(shí)性能的改進(jìn)措施。為提高嵌入式應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間精度,提出兩種細(xì)化Linux時(shí)鐘粒度方法;為增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)核對實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力,采用插入搶占點(diǎn)和修改內(nèi)核法增強(qiáng)Linux內(nèi)核的可搶占性;為保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求,把原Linux的單運(yùn)行隊(duì)列改為雙運(yùn)行隊(duì)列,硬實(shí)時(shí)任務(wù)單獨(dú)被放在一個(gè)隊(duì)列中,并采用MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度算法。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙,參考了修改核方法的思想,從內(nèi)核時(shí)鐘管理、內(nèi)核的搶占性、內(nèi)核調(diào)度算法三方面論述了改善標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性能的方法。
2 Linux 在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙
2.1 Linux的實(shí)時(shí)性分析
Linux作為一個(gè)通用操作系統(tǒng),主要考慮的是調(diào)度的公平性和吞吐量等指標(biāo)。然而,在實(shí)時(shí)方面它還不能很好地滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面的需要,其本身僅僅提供了一些實(shí)時(shí)處理的支持,這包括支持大部分POSIX標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)時(shí)功能,支持多任務(wù)、多線程,具有豐富的通信機(jī)制等;同時(shí)也提供了符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略,包括FIFO調(diào)度策略、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略。Linux區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程,并采用不同的調(diào)度策略。
為了同時(shí)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程,Linux的調(diào)度策略簡單講就是優(yōu)先級加上時(shí)間片。當(dāng)系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)進(jìn)程到來時(shí),系統(tǒng)賦予它最高的優(yōu)先級。體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性上,Linux采用了兩種簡單的調(diào)度策略,即先來先服務(wù)調(diào)度(SCHED-FIFO)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度(SCHED-RR)。具體是將所有處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)掛接在一個(gè)run-queue 隊(duì)列中,并將任務(wù)分成實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù),對不同的任務(wù),在其任務(wù)控制塊task-struct中用一個(gè)policy屬性來確定其調(diào)度策略。對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)的硬實(shí)時(shí)任務(wù)采用SCHED-FIFO調(diào)度,使之在一次調(diào)度后運(yùn)行完畢。對普通非實(shí)時(shí)進(jìn)程,Linux采用基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)策略。
2.2 Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙
盡管Linux本身提供了一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制,然而,由于Linux系統(tǒng)是以高的吞吐量和公平性為追求目標(biāo),基本上沒有考慮實(shí)時(shí)應(yīng)用所要滿足的時(shí)間約束,它只是提供了一些相對簡單的任務(wù)調(diào)度策略。因此,實(shí)時(shí)性問題是將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一大障礙,無法在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙具體表現(xiàn)在:
(1)Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過粗糙,時(shí)鐘中斷周期為10ms,使得其時(shí)間粒度過大,加大了任務(wù)響應(yīng)延遲。
(2) Linux的內(nèi)核是不可搶占的, 當(dāng)一個(gè)任務(wù)通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí),一個(gè)具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程,只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行,這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不確定性,顯然不能滿足硬實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。
(3) Linux采用對臨界區(qū)操作時(shí)屏蔽中斷的方式,在中斷處理中是不允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的,從而抑制了系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部操作的能力。
(4) 缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法。
針對這些問題,利用Linux作為底層操作系統(tǒng),必須增強(qiáng)其內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能,從而構(gòu)建出一個(gè)具有實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式系統(tǒng),適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的需要。
2.3 當(dāng)前增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù)
近年來,人們對于Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性改造提出了一些方法和設(shè)想,它們采用了不同的思路和技術(shù)方案。歸納總結(jié),支持Linux的硬實(shí)時(shí)性一般有兩種策略[5]:一種是直接修改Linux內(nèi)核,重新編寫一個(gè)由優(yōu)先級驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)調(diào)度器(Real-time Scheduler),替換原有內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度器sched.c,KURT是采用這一方案較為成功的實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng);另外一種是在Linux內(nèi)核之外, 以可加載內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Module)的形式添加實(shí)時(shí)內(nèi)核,確保其高響應(yīng)特性,實(shí)時(shí)內(nèi)核接管來自硬件的所有中斷,并依據(jù)是否是實(shí)時(shí)任務(wù)決定是否直接響應(yīng)。新墨西哥科技大學(xué)的 RT-Linux,就是基于這種策略而開發(fā)的。以上兩種策略有其借鑒之處,但如果綜合考慮任務(wù)響應(yīng)、內(nèi)核搶占性、實(shí)時(shí)調(diào)度策略等幾個(gè)影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要方面,它們還不能很好的滿足實(shí)時(shí)性問題。為了增強(qiáng)嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能,下文將就內(nèi)核時(shí)鐘精度、內(nèi)核的搶占性以及內(nèi)核調(diào)度算法等相關(guān)問題重點(diǎn)研究相應(yīng)的解決方法。
3 改善嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能的方法
針對Linux在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙,將Linux改造成為支持實(shí)時(shí)任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng), 主要從下面三個(gè)方面進(jìn)行著手。
3.1細(xì)化時(shí)鐘粒度
精確的計(jì)時(shí)是實(shí)時(shí)調(diào)度器正確操作所必須的,調(diào)度器通常要求在一個(gè)特定的時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換,計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤將導(dǎo)致背離計(jì)劃的調(diào)度,引起任務(wù)釋放抖動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn) Linux系統(tǒng)時(shí)鐘精度太過粗糙,時(shí)鐘中斷周期為10ms,不能滿足特定嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中對于響應(yīng)時(shí)間精度的要求。因此,在實(shí)時(shí)Linux應(yīng)用中,需要細(xì)化其時(shí)鐘粒度,具體有兩種方式可以解決時(shí)鐘粒度問題:一是通過直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值來細(xì)化時(shí)鐘粒度,如將標(biāo)準(zhǔn)Linux中內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ改為10000, 則時(shí)鐘粒度可以達(dá)到100us,這種方式雖然會增加一些系統(tǒng)開銷,但在強(qiáng)周期性環(huán)境下,對定時(shí)器的設(shè)置只需初始化一次,在一定程度上保證了處理效率;二是通過對可編程中斷定時(shí)器8254或先進(jìn)的可編程中斷控制器進(jìn)行編程來改進(jìn)Linux時(shí)鐘機(jī)制,以提高其時(shí)鐘的分辨率,使毫秒級的粗粒度定時(shí)器變成微秒級的細(xì)粒度定時(shí)器。
3.2 增強(qiáng)Linux內(nèi)核的搶占性
標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核是不可搶占的,導(dǎo)致較大的延遲,增強(qiáng)內(nèi)核的可搶占性能,可提高系統(tǒng)內(nèi)核對實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)能力。目前,有兩種方法修改Linux內(nèi)核以提高實(shí)時(shí)任務(wù)搶占非實(shí)時(shí)任務(wù)的能力:一是在內(nèi)核中增加搶占點(diǎn)的方法;二是直接將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核。插入搶占點(diǎn)方法是在Linux內(nèi)核中插入一些搶占點(diǎn),當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行到搶占點(diǎn)時(shí),如果有更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)進(jìn)程正在等待運(yùn)行,那么正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核進(jìn)程將會把CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給等待運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程;如果沒有更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)進(jìn)程等待,則當(dāng)前進(jìn)程將繼續(xù)執(zhí)行,此時(shí)系統(tǒng)增加的開銷僅僅是檢測一下調(diào)度標(biāo)志。將Linux內(nèi)核改造成可搶占式內(nèi)核方法的基本思想是產(chǎn)生運(yùn)行調(diào)度器的機(jī)會,縮短任務(wù)發(fā)生到調(diào)度函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間間隔。這種方法修改了Linux源代碼中的自旋鎖宏以避免競爭,并在其中引入一個(gè)稱作搶占鎖計(jì)數(shù)器(PLC)的新的計(jì)數(shù)信號允許內(nèi)核代碼搶占,當(dāng)它為0時(shí),允許搶占;當(dāng)其為大于0的任何值時(shí),禁止搶占。目前,針對這兩種修改 Linux內(nèi)核的方法,已經(jīng)有兩種比較成熟的Linux內(nèi)核補(bǔ)丁被研制出來:搶占式補(bǔ)丁和低時(shí)延補(bǔ)丁。其中,搶占式補(bǔ)丁是Monta Vista開發(fā)的,它修改了內(nèi)核代碼中的spinlock宏和中斷返回代碼,使得當(dāng)前進(jìn)程可被安全搶占,當(dāng)自旋鎖釋放或者中斷線程完成時(shí),調(diào)度器就有機(jī)會執(zhí)行調(diào)度;低時(shí)延補(bǔ)丁是由Ingo Malnor提出,該方法只是在執(zhí)行時(shí)間長的代碼塊上搶占,不采用強(qiáng)制式搶占,因此,如何找到延時(shí)長的代碼塊是解決問題的關(guān)鍵。
3.3 改善Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器的調(diào)度策略
將進(jìn)入系統(tǒng)的所有任務(wù)按實(shí)時(shí)性分成三類:硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)[6]。硬實(shí)時(shí)要求系統(tǒng)確保任務(wù)執(zhí)行最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間,即必須滿足實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)時(shí)間的截止期限,否則,將引發(fā)致命的錯(cuò)誤;軟實(shí)時(shí)是指統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí),一般整體吞吐量大或整體響應(yīng)速度快,但不能保證特定任務(wù)在指定時(shí)期內(nèi)完成。針對不同的實(shí)時(shí)性任務(wù),分別采用不同的調(diào)度方法進(jìn)行處理。
為了嚴(yán)格保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)限要求,改善的Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度器采用了優(yōu)先級調(diào)度算法,目前最小松弛時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法MLF(Minimum- Laxity-First Scheduling Algorithm)是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級調(diào)度最常見的實(shí)時(shí)調(diào)度策略。它在系統(tǒng)中為每一個(gè)任務(wù)設(shè)定松弛時(shí)間(任務(wù)的松弛時(shí)間等于任務(wù)的截止期減去任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、當(dāng)前時(shí)間)即: laxity= deadline―current_time―CPU_time_needed,系統(tǒng)優(yōu)先執(zhí)行具有最小松弛時(shí)間的任務(wù)。根據(jù)就緒隊(duì)列的各任務(wù)的松弛時(shí)間來分配優(yōu)先級,松弛時(shí)間最小的任務(wù)具有最高的優(yōu)先級。為了提高Linux的實(shí)時(shí)性,我們設(shè)計(jì)了MLF調(diào)度器,并把它作為可加載模塊加入Linux內(nèi)核中,在實(shí)現(xiàn)中需對內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的修改。為了區(qū)分任務(wù)的類型,對基本Linux的task_struct屬性進(jìn)行改進(jìn),在其中增加SCHED_MLF調(diào)度策略,并按task_struct中的policy的取值來進(jìn)行區(qū)分, 分別用SCHED_MLF,SCHED_RR,SCHED_OTHER來標(biāo)識硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)任務(wù)。將處于運(yùn)行狀態(tài)的三類任務(wù)放入兩個(gè)隊(duì)列,硬實(shí)時(shí)任務(wù)放入hard_real_queue隊(duì)列, 采用MLF調(diào)度算法,軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)放入non_real_queue隊(duì)列(空閑任務(wù)也在其中),沿用原內(nèi)核的RR調(diào)度算法。這兩個(gè)隊(duì)列可以用一個(gè) run_queue[2]的指針數(shù)組來指向,如圖1 所示。
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圖1 雙對列任務(wù)運(yùn)行
雙隊(duì)列任務(wù)運(yùn)行過程與原內(nèi)核的單運(yùn)行隊(duì)列執(zhí)行流程的主要區(qū)別在:首先,各硬實(shí)時(shí)任務(wù)采用了MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度,提高了 Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。其次,在判斷是否有軟中斷需要處理之前需判斷硬實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)列是否為空,如果不為空,即使存在中斷的后半部分需要處理,也要先調(diào)度硬實(shí)時(shí)任務(wù)投入運(yùn)行,在硬實(shí)時(shí)隊(duì)列為空的條件下才去處理中斷的后半部分(因?yàn)橹袛嗟暮蟀氩糠譀]有硬實(shí)時(shí)任務(wù)緊急)。最后,如果沒有硬實(shí)時(shí)任務(wù)存在,則說明只有run_queue [1]隊(duì)列中有軟實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)任務(wù)存在,這時(shí)的處理方法和原內(nèi)核對單運(yùn)行隊(duì)列的處理方法相同。這樣改進(jìn)后,可以明顯提高硬實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度效率,而在沒有硬實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí),系統(tǒng)性能沒有變化。
4 結(jié)束語
本文在分析Linux實(shí)時(shí)性的同時(shí),探討了其本身提供的一些支持實(shí)時(shí)性的機(jī)制以及在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的技術(shù)障礙。而后,基于增強(qiáng)Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性的主流技術(shù),從細(xì)化時(shí)鐘粒度、增強(qiáng)內(nèi)核搶占性及實(shí)時(shí)調(diào)度策略三方面入手,提出了改善Linux實(shí)時(shí)性能的優(yōu)化方法。
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