嵌入式Linux实时性能提高方案

 

　　1 引言

　　分析了Linux的实时性，针对其在实时应用中的技术障碍，在参考了与此相关研究基础上，从三方面提出了改善Linux实时性能的改进措施。为提高嵌入式应用响应时间精度,提出两种细化Linux时钟粒度方法;为增强系统内核对实时任务的响应能力,采用插入抢占点和修改内核法增强Linux内核的可抢占性;为保证硬实时任务的时限要求，把原Linux的单运行队列改为双运行队列,硬实时任务单独被放在一个队列中,并采用MLF调度算法代替原内核的FIFO调度算法。本文分析了标准Linux在实时应用中的技术障碍，参考了修改核方法的思想，从内核时钟管理、内核的抢占性、内核调度算法三方面论述了改善标准Linux实时性能的方法。

　　2 Linux 在实时应用中的技术障碍

　　2.1 Linux的实时性分析

　　Linux作为一个通用操作系统，主要考虑的是调度的公平性和吞吐量等指标。然而，在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要，其本身仅仅提供了一些实时处理的支持，这包括支持大部分POSIX标准中的实时功能，支持多任务、多线程，具有丰富的通信机制等;同时也提供了符合POSIX标准的调度策略，包括FIFO调度策略、时间片轮转调度策略和静态优先级抢占式调度策略。Linux区分实时进程和普通进程，并采用不同的调度策略。

　　为了同时支持实时和非实时两种进程，Linux的调度策略简单讲就是优先级加上时间片。当系统中有实时进程到来时，系统赋予它最高的优先级。体现在实时性上，Linux采用了两种简单的调度策略，即先来先服务调度(SCHED-FIFO)和时间片轮转调度(SCHED-RR)。具体是将所有处于运行状态的任务挂接在一个run-queue 队列中,并将任务分成实时和非实时任务，对不同的任务，在其任务控制块task-struct中用一个policy属性来确定其调度策略。对实时性要求较严的硬实时任务采用SCHED-FIFO调度，使之在一次调度后运行完毕。对普通非实时进程，Linux采用基于优先级的轮转策略。

　　2.2 Linux在实时应用中的技术障碍

　　尽管Linux本身提供了一些支持实时性的机制，然而，由于Linux系统是以高的吞吐量和公平性为追求目标，基本上没有考虑实时应用所要满足的时间约束，它只是提供了一些相对简单的任务调度策略。因此，实时性问题是将Linux应用于嵌入式系统开发的一大障碍,无法在硬实时系统中得到应用。 Linux在实时应用中的技术障碍具体表现在:

　　(1)Linux系统时钟精度太过粗糙，时钟中断周期为10ms，使得其时间粒度过大，加大了任务响应延迟。

　　(2) Linux的内核是不可抢占的, 当一个任务通过系统调用进入内核态运行时,一个具有更高优先级的进程，只有等待处于核心态的系统调用返回后方能执行，这将导致优先级逆转。实时任务执行时间的不确定性，显然不能满足硬实时应用的要求。

　　(3) Linux采用对临界区操作时屏蔽中断的方式，在中断处理中是不允许进行任务调度的，从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。

　　(4) 缺乏有效的实时任务调度机制和调度算法。

　　针对这些问题，利用Linux作为底层操作系统，必须增强其内核的实时性能，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，适应嵌入式领域应用的需要。