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嵌入式Linux内核实时性研究

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嵌入式Linux内核实时性研究

摘要

在嵌入式技术迅速普及的今天，Linux 操作系统，由于其开放源代码、高稳定性和低成本等特性，非常适合于嵌入式系统的开发，成为了嵌入式领域里发展最快的操作系统。改进通用 Linux 操作系统的实时性能，使其更加适应嵌入式的应具有很大的实际意义，目前己经成为国内外计算机界的研究热点之一。

嵌入式 Linux 实时性研究，介绍了对 Linux 实时性的研究工作，对实时系统、实时操作系统及衡量实时操作系统重要指标以及对Linux内核的分析阐述。

关键词：嵌入式Linux，实时性

目录

摘要 (1)

1实时系统概述 (3)

1.1实时系统 (3)

1.2实时操作系统（RTOS） (4)

1.3有关 RTOS 的重要概念 (5)

1.4衡量 RTOS 实时性能的重要指标 (6)

1.5Linux内核 (8)

1实时系统概述

1.1实时系统

实时系统在工业、商业和军事等领域都有非常广泛的用途，并且己经有很多实际的应用。一般来说，实时系统通常是比较复杂的，因为它必须处理很多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。那么，是不是响应时间在多少毫秒或多少微秒以内的系统就是实时系统，而超出这个时限的就不算呢？事实上，实时系统并非是指“快速”的系统，实时系统有限定的响应时间，从而使系统具有可预测性[1]。

实时系统与其他普通的系统之间最大的不同之处就是要满足处理与时间的关系。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。对于实时系统来说最重要的要求，就是实时操作系统必须有满足在一个事先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力。

因此，实时系统可以定义为“一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部，同步或异步时间作出响应的系统”。

实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”[2]。硬实时和软实时的区别就在于对外界的事件做出反应的时间。硬实时系统必须是对及时的事件做出反应，绝对不能错过事件处理的deadline情况。在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意味着巨大的损失和灾难。比如说核电站中的堆芯温度控制系统，如果没有对堆芯过热做出及时的处理，后果不堪想象。软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过deadline 的情况而且不会造成太大的危害。比如说程控电话系统允许在105个电话中有一个接不通。

实时系统具有以下一些特性，从而区分于其他系统：

嵌入性：实时系统通常是嵌入式的系统，也就是由封装好的软件系统控制与其相关的硬件。

交互性：实时系统通常需要与外部环境进行交互，例如，可以控制机器及生产过程，或者监控化学反应并随时汇报危急情况，这种情况通常需要从外部接收数据并提供输出和控制外部环境。

“反应”性：很多实时系统都是“反应”的系统，也就是说，由事件驱动并且

必须对外界事件进行响应。

并发性：绝大多数实时系统的一个重要特点是并发处理，通常，事件发生的顺序是不.IJ 预测的。

1.2实时操作系统（RTOS）

实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调动一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的工作效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定时间内作出正确的响应。

实时操作系统(RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。RTOS是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将CPU时间、中断、I/0、定时时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的 API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配 CPU 时间。

实时操作系统(RTOS)的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看，实时操作系统到现在己经历了如下三个阶段[3]:

（1）早期的实时操作系统

早期的实时操作系统，还不能称为真正的实时操作系统，它只是小而简单的、带有一定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。这个时期，应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。

（2）专用实时操作系统

随着应用的发展，早期的实时操作系统己越来越显示出明显的不足。有些实时系统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系统。它一般只应用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测。移植性也不太好。

（3）通用实时操作系统

在各种专用实时操作系统中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管理、任务间的通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的是面向各自的硬件环境与应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很好地组织起来，形成一个通用的实时操作系统内核。这类操作系统大多采用软模

块结构，以一个个软件“标准模块”构成通用的实时操作系统。一方面，在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉：另一方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软模块。这使得用户可以根据不同的实时应用要求及硬件环境选择不同的软模块，也使得实时操作系统开发商在开发过程中减少了重复。它们一般都提供了实时性较好的内核、多种任务通信机制、基于TCP/IP 的网络模块、文件管理及 1/O 服务，提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境，支持用户使用C、C++进行应用程序的开发。

总的来说，一个成熟的RTOS 必须具备以下几个功能：任务管理、任务间同步通信、内存管理、实时时钟服务以及中断管理服务。以上五点是任何一个RTOS 都必不可少的重要功能，对于任何一个RTOS 来说虽然具有这五个基本功能还算不上是一个优秀的实时操作系统，但一旦缺少其中任何一个它都算不上是一个完整的实时操作系统。

1.3有关 RTOS 的重要概念

1、多任务

多任务运行的实现实际上是靠CPU（中央处理单元）在许多任务之间转换、调度。CPU 只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多任务运行很像前后台系统，但后台任务有多个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实时应用中，多任务化的最大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化。使用多任务，应用程序将更容易设计与维护。一个任务，也称作一个进程，是一个简单的程序，该进程可以认为CPU完全只属于该进程自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套 CPU 寄存器和自己的栈空间。典型地，每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在以下5种状态之一的状态下，这5种状态是休眠态、就绪态、运行态、挂起态（等待某一事件发生）和被中断态。休眠态相当于该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪意味着该任务己经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，还暂时不能运行。运行态的任务是指该任务掌握了CPU的控制权，正在运行中。挂起状态也可以叫做等待事件态 WAITING，指该任务在等待，等待某一事件的发生，（例如等待某外设的 I/O 操作，等待某共享资源，由暂时不能使用变成能使用状态，等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来以结束口前的等待）。最后，发生中断时，CPU 提供相应的中断服务，原来正在运行的任务暂不能运行，就进入了被中断状态。

2、上下文切换（Context Switch or Task Switch）

Context Switch 实际含义是任务切换，或 CPU 寄存器内容切换。当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态（Context）即 CPU 寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状况保存区（Task's Context Storage area），也就是任务自己的栈区之中[4]。入栈工作完成以后，就是把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入 CPU 的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个过程叫做任务切换。任务切换过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。作任务切换所需要的时间取决于 CPU 有多少寄存器要入栈。实时内核的性能不应该以每秒钟能做多少次任务切换来评价。

3、内核（Kernel）

多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配 CPU 时间，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。之所以使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加 ROM 的用量，内核本身的数据结构增加了 RAM 的用量。但更主要的是，每个任务要有自己的栈空间，这一块对于内存的占用量相当大。内核本身对 CPU 的占用时间一般在2到5个百分点之间。

4、调度（Scheduler）

调度（Scheduler）这是内核的主要职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指：CPU 总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而，究竟何时让高优先级任务掌握 CPU 的使用权，有两种不同的情况：是不可剥夺型的还是可剥夺型内核。RTOS 的进程调度策略是影响实时性能的重要因素。尽管调度算法多种多样，但大多由单调速率算法（RM）和最早期限优先算法（EDF）变化而来。前者主要用于静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度。在不同的环境状态下，两类算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。

1.4衡量 RTOS 实时性能的重要指标

通常，判断一个操作系统是否是一个 RTOS，主要有以下几个指标衡量：

1、确定性（Deterministic）实时操作系统中，在一定的条件下，系统调用的

运行时间可以预测。这并不是指所有系统调用都总是执行一个固定长度的时间，而是指不论系统负载如何，系统调用的最大执行时间可以确定。

2、可抢占（Preemptive）实时操作系统应该是可抢占的。抢占是指当系统处于核心态运行时，允许任务的重新调度。换句话说就是指正在执行的任务可以被打断，让另一个任务运行。抢占提高了应用对异步韦件的响应性能力。操作系统内核可.抢占，并不是说任务调度在任何时候都可以发生。例如当一个任务正在通过一个系统调用访问共享数据时，重新调度和中断都被禁止。可抢占内核如图 1所示。

3、上下文切换时间（Context Switching）

多任务系统中，上下文切换是指 CPU 的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的韦件，当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。上下文的内容依赖于具体的 CPU。

图一抢占式内核

4、中断延迟（Interrupt Latency）

中断延迟是指从硬件中断发生到开始执行中断处理程序第一条指令之间的这段时间。影响中断延迟的最大因素就是系统关中断的时间。

5、调度延迟（Scheduling Latency）

调度延迟是指当一个事件引起更高优先级的任务就绪到这个任务开始运行之间的时间。即一个任务被触发后，由就绪到运行的时间。调度延迟由系统的不可抢占时间和具体的调度算法决定。其中，确定性和可抢占是 RTOS 必须满足的条件。上下文切换时间和中断延迟是衡量操作系统实时性的两个最重要时间指标。上下文切换时间又依赖于中断延迟和调度延迟。

以上阐述了实时系统的一些概念及衡量实时操作系统的重要指标，将嵌入式Linux 和以上的指标进行比对，显然其实时性是不能令人满意的。

1.5Linux内核

从程序员的角度讲，Linux 的内核提供了一个虚拟的机器接口。它抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式来进行数据处理，而内核将所有的硬件抽象成统一的虚拟接口。

Linux 将系统的一些关键性功能分离出来构成操作系统内核。Linux 内核必须完成下面的一些任务：

管理进程的运行，为进程分配资源，并处理进程之间的通信。

管理内存，为进程分配内存，管理虚拟内存。

管理 IO 设备，将设备映射成设备文件。

对文件系统的读写进行管理，把对文件系统的操作映射成对磁盘或其他块设备的操作。

管理网络。

Linux 内核由 5 个主要的子系统组成

1、进程调度（Process Schedule）它控制着进程对 CPU 的占用。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行的进程实际上是仅等待 CPU 资源的进程，如果某个进程在等待其他资源，则该进程是不可运行进程。标准 Linux 使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程，具体算法细节将在下一节中介绍。

2、内存管理（Memory Manage）内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只将当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘上。必要时，操作系统负责在磁盘和内存之间交换数据块。当然，虚存的存在会影响系统的实时性，在进行实时化时，必须考虑这个因素。

3、进程间通信（Inter-Process Communication）它的作用是支持进程间各种通信机制。一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，进程间通信的重要性显而易见。Linux 常用的进程通信机制有：管道、命名管道（FIFO）、SYS V 机制、网络 socket 方式。其中，SYS V 机制包括消息队列、信号量和共享内存。

4、I/O 管理

广义的 I/O 管理包括文件系统管理和其他 I/O 设备管理。而对所有文件系统以及 I/O 设备的管理最终都是用过一个 VFS 虚拟文件系统来完成。虚拟文件系统可以隐藏不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口，VFS 还支持多达数十种不同的文件系统，这也是 Linux 较有特色的一部分。虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指 Linux 所支持的文件系统，如 ext2、fat 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。Linux 支持许多种文件系统，这里说到的“支持”就是指可以把载有这些文件系统的磁盘分区或者其他的设备直接连接到 Linux 的 VFS 文件系统中。一般情况下，如果要连接一个不是 ext2 的文件系统，需要在 mount（加载文件系统）命令行中用–t 选项明确地给出文件系统的类型。Linux 内核目前支持的文件系统类型主要有：mnix、ext2、ext3、msdos、vfat、iso9660、hpfs、ntfs、ufs 等。

网络接口是一种特殊的 I/O，Linux 内核提供对各种网络标准的实现和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序两部分。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都需要有相应的设备驱动程序。

5、系统调用接口（System Call Interface）

系统调用接口用来向用户进程提供系统服务。用户进程通过系统调用接口与内核进行通信。进程和内核的交互通常需要通过如下步骤：

用户应用程序调用系统调用，通常是使用 C 函数库 libc。

该调用被内核的 system_call 函数截获，此后该函数会将调用请求转发给另外的执行请求的内核函数。

该函数随即和相关内部代码模块建立通讯，而这些模块还可能需要和其它的代码模块或者底层硬件通讯。

结果按照同样的路径依次返回。

然而，并不是所有内核和进程间的交互都是由进程发起的。内核有时也会自行决定同哪个进程交互，例如通过释放信号量或者简单的采用直接杀死进程的方法终止该进程的执行（如当进程用完所有可用的 CPU 时间片），以便使其它进程有机会运行。这些交互过程在该图中并没有表示，主要是因为它们通常都只是内核对自己的内部数据结构的修改。