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嵌入式Linux下的實(shí)時(shí)性增強方案
作者：
時(shí)間：2011-01-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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在中斷處理階段當中斷發(fā)生時(shí),CPU調用do_IRQ( )函數來(lái)處理中斷，do_IRQ( )在做了必要的相關(guān)處理之后調用_do_IRQ( )。_do_IRQ( )主要功能為判斷該中斷是否已經(jīng)被線(xiàn)程化(核對終端描述符的狀態(tài)字段是否包含IRQ_NODELAY標志)，對于沒(méi)有線(xiàn)程化的中斷，將直接調用 handle_IRQ_event( )函數來(lái)處理。功能實(shí)現等同于如下代碼：
fastcall notrace unsigned int __do_IRQ(unsigned int irq,
struct pt_regs *regs)
{ ……
if (redirect_hardirq(desc))
//檢測是否為線(xiàn)程化中斷，若是則喚醒中斷線(xiàn)程
goto out_no_end;
……
action_ret = handle_IRQ_event(irq, regs, action);
//處理非線(xiàn)程化中斷
……
}
int redirect_hardirq(struct irq_desc *desc)
//檢測irq_desc結構體，判斷是否線(xiàn)程化
{ ……
if (!hardirq_preemption || (desc->status IRQ_
NODELAY) || !desc->thread)
return 0;
……
if (desc->thread desc->thread->state != TASK_
RUNNING)
wake_up_process(desc->thread);
……
}
針對已線(xiàn)程化的情況，調用wake_up_process( )函數喚醒中斷處理線(xiàn)程執行，內核線(xiàn)程將調用do_hardirq( )來(lái)處理相應的中斷。具體實(shí)現是通過(guò)handle_IRQ_event( )函數直接調用相應的中斷處理函數完成的。對于緊急的中斷(如時(shí)鐘中斷),內核保持原來(lái)的中斷處理方式，而不為其創(chuàng )建中斷線(xiàn)程，這樣就保證了緊急中斷的快速響應。
2.2 內核可搶占性設計
在Linux標準內核中，因不具有可搶占性和導致較大的延遲，增加內核的可搶占性能，可提高系統的實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力。當前修改Linux內核提高實(shí)時(shí)性的方法主要有增加搶占點(diǎn)和改造成搶占式內核兩種方法。增加搶占點(diǎn)方法是在內核中插入搶占點(diǎn)，通過(guò)檢測搶占點(diǎn)調度標志來(lái)決定是否進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)的調度。采用這種方法，在檢測搶占點(diǎn)標志時(shí)大大增加了系統開(kāi)銷(xiāo)，因此本方案采用直接改造Linux內核的方法，通過(guò)修改自旋鎖為互斥鎖來(lái)提高內核的可搶占性 [5]。即借鑒Ingo Molnar的實(shí)時(shí)補丁的實(shí)時(shí)化方法，使用mutex互斥鎖來(lái)替換spinlock自旋鎖。使用mutex替換spinlock，可以讓spinlock 可搶占。起初spinlock不可搶占性設計目的是避免死鎖，可搶占性設計可能導致競爭者與保持者的死鎖局面。中斷處理函數中也可以使用 spinlock，如果spinlock已經(jīng)被某一進(jìn)程保持，則中斷處理函數無(wú)法進(jìn)行，從而形成死鎖。中斷線(xiàn)程化以后，中斷線(xiàn)程將掛在等待隊列上并放棄 CPU讓別的線(xiàn)程或進(jìn)程來(lái)運行,讓每個(gè)spinlock都有一個(gè)等待隊列，該等待隊列按進(jìn)程或線(xiàn)程優(yōu)先級排隊,如果一個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程競爭的spinlock 已經(jīng)被另一個(gè)線(xiàn)程保持,它將把自己掛在該spinlock的優(yōu)先級化的等待隊列上，然后發(fā)生調度把CPU讓給別的進(jìn)程或線(xiàn)程。mutex替換 spinlock后，spinlock結構定義如下代碼：
typedef struct {
struct rt_mutex lock; //新的實(shí)時(shí)互斥鎖
unsigned int break_lock;
} spinlock_t;
其中struct rt_mutex結構如下：
struct rt_mutex {
raw_spinlock_t wait_lock;
struct plist wait_list; //優(yōu)先級等待隊列
struct task_struct *owner; //擁有該鎖進(jìn)程的信息
int owner_prio;
… …
};
在如上代碼中,類(lèi)型raw_spinlock_t就是原來(lái)的spinlock_t。即代碼中的spinlock_t就是新設計的自旋鎖。 rt_mutex結構中,wait_list字段為優(yōu)先級等待隊列。在mutex使用中，當遇到鎖住的臨界資源時(shí)，任務(wù)被掛起到wait_list中，臨界資源解鎖時(shí)等待任務(wù)被激活。臨界資源被保護的同時(shí)可以搶占。
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