嵌入式系统/ARM技术中的Linux操作系统实时性分析及改进策略
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2020-12-10
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的技术中的Linux操作系统实时性分析及改进策操作系统实时性分析及改进策
略略
1 前言 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
事件作出响应的系统"。实时操作系统 (Realtime OS)是实时系统中使用的操作系统。实时操作系统的任务不只
是要求完成每一个工作，并且要按照给定的时限按时完成每一个工作，所以实时操作系统必须能够确保其任务
对时间的要求。 实时有硬实时和软实时之分。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。
硬实时系统必须是及时对事件做出反应，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
1 前言前言
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、同步或异步事件作出响应的系
统"。实时操作系统 (Realtime OS)是实时系统中使用的操作系统。实时操作系统的任务不只是要求完成每一个工作，并且要按
照给定的时限按时完成每一个工作，所以实时操作系统必须能够确保其任务对时间的要求。
实时有硬实时和软实时之分。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。硬实时系统必须是及时对事件
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。
现有的Linux是一个通用的操作系统，它是按照分时系统的目标设计的，进程调度强调平衡各进程之间的响应时间来保证公
平的CPU时间占用。虽然采用了许多技术来加快系统运行和反应速度，但它本质上不是一个实时操作系统。为了保证其实时
性，必须采用一定的策略加以改进。
2 影响影响Linux实时性能的主要因素实时性能的主要因素
在Linux系统中，响应中断的过程如下：设备产生一个中断、中断处理函数开始执行、唤醒任务并在运行队列排队、任务获
取CPU并开始执行、任务执行完毕。图1为事件处理过程各个阶段图以及影响响应时间的因素（每个阶段下面的字母A~J表示
这个阶段中影响响应时间的因素）：
由图中可以分析出导致Linux系统不能满足实时系统短的响应时间和确定的执行行为的要求的主要因素有以下方面：
（1）Linux操作系统存在关中断的机制。导致的结果是：如果低优先级的进程由于进入临界区或者为了尽快完成任务而关
闭了中断，那么即使有高优先级实时进程的中断发生系统也无法响应。这种情况在实时系统中是不允许发生的。
（2）Linux操作系统内核是禁止抢占的。一个进程一旦进入内核，它将运行直到系统调用结束或进程被阻塞。这时候一个
高优先级的实时进程只能等待。这样的设计是为了简化任务调度，但对实时进程来说这样的时间等待是不允许的。
（3）Linux使用的是基于优先级的任务调度策略。这种调度策略不能保证实时任务按时完成。Linux虽然给实时进程提供了
较高的优先级，但是，并没有加入时间限制。例如完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等。例如，Linux的基
于时间片的调度策略可能使得一个实时进程在一个时间片内未完成，其优先级将降低，从而可能造成到截止时间实时任务无法
完成。
（4）其他方面
Linux利用交换空间让进程运行在一个比实际内存大的虚拟内存空间中。当进程访问的虚拟内存的内容在交换空间里
时，Linux就要把在交换空间里的页面交换到实际的内存中，而这段时间是不可预测的，这造成了实时响应时间的不确定性；
在Linux中，高优先级的进程不能抢占低优先级进程的资源。即如果高优先级的进程要使用低优先级进程正在使用的资源
时，它必须等待低优先级的进程释放资源，这样容易产生优先级倒置；
另外，Linux的周期模式定时器频率仅为100Hz，远不能满足多种实时应用的要求。
Linux之所以有以上问题，是因为它最主要的设计原则是最大限度的利用各种资源，力求最公平的调度各个进程，以获得最大
的整体性能，这也正是通用操作系统的设计原则。
3 Linux关中断机制关中断机制
Linux内核可以看成是一个不断对请求进行响应的服务器，这些请求可能来自正在cpu上执行的进程，也可能来自正在执行
中断请求的外部设备。因此，内核的各个部分并不是严格按照顺序依次执行的，而是采用交错执行的方式。内核控制路径是指
内核用来处理系统调用、异常或中断所执行的指令序列。在交错执行内核控制路径时，要避免可能带来的数据混乱的危险，因
此引入了临界区的概念。临界区是指一段代码，在其他的内核控制路径能够进入临界区前，进入临界区的每一内核控制路径都
必须全部执行完这段代码。
另外，在Linux操作系统中，大部分外部中断都是开启的，中断处理一般由设备驱动程序来完成。由于通用操作系统中的用
户进程一般都没有实时性要求，而中断处理程序直接跟硬件设备交互，可能有实时性要求，因此中断处理程序的优先级被设定
为高于任何用户进程。 但对于实时操作系统采用上述的中断处理机制是不合适的。外部中断是环境向实时操作系统进行的输
入，它的频度是与环境变化的速率相关的，而与实时操作系统无关。如果外部中断产生的频度不可预测，则一个实时任务在运
行时被中断处理程序阻塞的时间开销也是不可预测的，从而使任务的实时性得不到保证。因此，Linux内核的进程经常关闭中
断以尽快完成自己的任务。但同时也引入了问题：如果低优先级的进程关闭了中断，那么即使有高优先级实时进程的中断发生
系统也无法响应。这种情况在实时系统中也是不允许发生的。
4、、RTLinux的双内核解决方案的双内核解决方案
4．．1基本思想基本思想
针对Linux的关中断机制，RTLinux提出了采用虚拟机技术模拟Linux关中断的解决方法。基本思想如下：Linux不直接与中断
控制硬件进行联系，而是在二者之间加入了一个中断控制硬件的仿真层，这个仿真层只提供实时服务，它使得Linux在不能禁
止中断的同时，还能对Linux内核的同步需求提供支持。一旦中断到来，就先由该仿真层处理，在仿真层完成了所有需要进行
的实时处理后，才会交给Linux进行进一步的处理。如果Linux已经进行了禁止中断的操作，则仿真层只是将该中断标记为处于
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