嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

　　引言

　　Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關(guān)鍵性場(chǎng)合。其中實(shí)時(shí)多媒體處理、工業(yè)控制、汽車(chē)電子等特定應用對Linux提出了強實(shí)時(shí)性需求。Linux提供了一些實(shí)時(shí)擴展，但需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造。本文針對嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論，如Linux內核時(shí)延，實(shí)時(shí)化主流技術(shù)方案及其評價(jià)等。

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　　Linux內核時(shí)延

　　主流Linux雖然部分滿(mǎn)足POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴展標準，但還不完全是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，主要表現為：

　　● 任務(wù)調度與內核搶占

　　2.6版本內核添加了許多搶占點(diǎn)，使進(jìn)程執行在內核代碼時(shí)也可被搶占。為支持內核代碼可搶占，在2.6版內核中通過(guò)采用禁用中斷的自旋鎖來(lái)保護臨界區。但此時(shí)如果有低優(yōu)先級進(jìn)程在臨界區中執行，高優(yōu)先級進(jìn)程即使不訪(fǎng)問(wèn)低優(yōu)先級所保護的臨界區，也必須等待低優(yōu)先級進(jìn)程退出臨界區。

　　● 中斷延遲

　　在主流Linux內核設計中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)被阻塞的最長(cháng)時(shí)間不確定。而且，由于內核為保護臨界區需要關(guān)閉中斷，更加增長(cháng)了高優(yōu)先級任務(wù)阻塞時(shí)間。

　　● 時(shí)鐘精度

　　Linux通過(guò)硬件時(shí)鐘編程來(lái)產(chǎn)生毫秒級周期性時(shí)鐘中斷進(jìn)行內核時(shí)間管理，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統較高精度的調度要求。內核定時(shí)器精度同樣也受限于時(shí)鐘中斷，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的高精度定時(shí)需求。

　　● 其他延遲

　　此外，Linux內核其他子系統也存在多種延遲。比如為了增強內核性能和減少內存消耗，Linux僅在需要時(shí)裝載程序地址空間相應的內存頁(yè)。當被存取內容(如代碼)不在RAM中則內存管理單元(MMU)將產(chǎn)生頁(yè)表錯誤(Page-Fault)觸發(fā)頁(yè)面裝載，造成實(shí)時(shí)進(jìn)程響應時(shí)間不確定。

　　Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)發(fā)展

　　主流Linux內核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內核無(wú)搶占支持，直到2.6版本的Linux內核才支持可搶占內核，支持臨界區外的內核搶占和可搶占的大內核鎖。在此基礎上，Linux采用了下列兩類(lèi)實(shí)時(shí)化技術(shù)。