Linux在嵌入式系統中有關(guān)進(jìn)程調度算法的實(shí)時(shí)性改進(jìn)
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從上面的goodness() 函數可以看出普通Linux 內核的進(jìn)程調度算法只是軟實(shí)時(shí)的，并不是硬實(shí)時(shí)的。 尤其不能作為硬實(shí)時(shí)應用，主要有以下幾個(gè)原因：
(1) L INUX 內核的實(shí)時(shí)進(jìn)程的調度算法當中，SCHED RR 和SCHED RR 調度策略的主要不同點(diǎn)在于，SCHED RR 進(jìn)程在一個(gè)時(shí)間片運行完以后被放到運行隊列的最后。 L INUX的每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)調度策略，在進(jìn)程描述結構task struct 中規定policy 屬性。 所有的進(jìn)程不管采用哪一種調度策略，都放在同一個(gè)運行隊列中。這樣做，就對實(shí)時(shí)進(jìn)程的響應產(chǎn)生了影響。
(2) Linux 的內核是非搶占式的( non-preemptive) 。
(3) Linux 的進(jìn)程調度策略不是完全搶占式的。
(4) Linux 的虛擬內存技術(shù)(virtual memory)增加了系統的不確定性。
(5) Linux 采用的時(shí)鐘中斷的精度不高。
(6) Linux 系統的一些額外操作會(huì )延遲實(shí)時(shí)進(jìn)程的執行。
綜上所述，不經(jīng)處理的Linux 是不適合做實(shí)時(shí)操作系統的，即便是軟實(shí)時(shí)，在系統負荷重的情況下也不能保證其實(shí)時(shí)性。 但通過(guò)對Linux 內核的改造完全可以提高Linux 的實(shí)時(shí)性，甚至可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的要求。
LINUX 實(shí)時(shí)性改造的實(shí)現方法
實(shí)現LINUX 的實(shí)時(shí)性一般有兩種方法： 一種是對普通的LINUX 的內核的數據結構、調度函數、中斷方式等進(jìn)行修改使其能夠處理實(shí)時(shí)進(jìn)程。另一種是在LINUX 內核之外，進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴展。 也就是在普通LINUX 的基礎之上再設計一個(gè)用于專(zhuān)門(mén)處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內核。 為了提高LINUX 的實(shí)時(shí)性，并且使之能夠在嵌入式系統中更好地滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)系統的要求，采用上述兩種方法結合的兩種方式來(lái)提高系統的實(shí)時(shí)性。
外部實(shí)時(shí)性擴展
對LINUX 做外部實(shí)時(shí)性擴展最主要的思想是在硬件中斷與原來(lái)的LINUX 內核之間增加一個(gè)實(shí)時(shí)內核。 在原來(lái)的LINUX 內核的基礎上，增加一個(gè)實(shí)時(shí)內核可以解決LINUX 原有內核的關(guān)中斷的問(wèn)題。
對于實(shí)時(shí)內核來(lái)說(shuō)，它始終不關(guān)閉硬件中斷，可以接受所有的中斷信號。 當中斷信號需要實(shí)時(shí)進(jìn)程來(lái)處理時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)程將搶占LINUX 內核，在RTLINUX中把原來(lái)的LINUX 內核作為一個(gè)普通進(jìn)程來(lái)對待，并且它的優(yōu)先級是最低的。 如果中斷信號需要原來(lái)的LINUX 內核來(lái)處理，則由實(shí)時(shí)內核信號傳遞給LINUX 內核。 同時(shí)內核中提供一個(gè)標志位用來(lái)模擬原來(lái)的LINUX 內核的關(guān)中斷情況。這個(gè)標志字在LINUX 打開(kāi)中斷的時(shí)候置1 ，關(guān)中斷的時(shí)候置0。 實(shí)時(shí)內核在中斷到來(lái)的時(shí)候檢查這個(gè)標志位，如果是置1 的，那立刻將中斷傳給LINUX 內核，否則的話(huà)，將所有待處理的中斷放入一個(gè)隊列中，一直到LINUX 打開(kāi)中斷時(shí)才將它們一起傳給內核。
內部實(shí)時(shí)性改造
對Linux 內部實(shí)時(shí)性改造有兩個(gè)方面的工作： (1) 對時(shí)鐘機制的改造。 (2) 在內核方面的搶占性改造。 改造的目的是為了縮短Linux 內核的響應延時(shí)。
(1) 在時(shí)鐘機制的改造方面，可以通過(guò)提高系統時(shí)鐘的精度來(lái)增強系統的實(shí)時(shí)性，特別是對外部中斷的響應。因為精確的時(shí)鐘是操作系統進(jìn)行準確的調度工作的必不可少的條件。 執行調度就要求在特定的時(shí)間進(jìn)行任務(wù)切換。不精確的時(shí)鐘會(huì )導致調度偏差，從而導致無(wú)法預計的結果。所以提高時(shí)鐘精度，減少調度偏差是非常重要的。在操作系統中，時(shí)鐘精度不高的原因之一是因為：周期性時(shí)鐘中斷的使用。操作系統不得不將大量的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)用于處理時(shí)鐘中斷。 Linux。 操作系統也是如此。 在Linux 中，它的中斷頻率被設為100Hz。即大約每10ms 產(chǎn)生一次定時(shí)中斷。
(2) 在內核搶占性方面的改造有兩種方法：一種是搶占點(diǎn)的方法。另一種是搶占式內核的設計。所謂搶占就是內核在某個(gè)合適的地方調用schedule() 函數來(lái)檢查是否有高優(yōu)先級的任務(wù)已經(jīng)處于ready 狀態(tài)并讓這個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)運行。為了提高系統的實(shí)時(shí)性，搶占的選擇要合理，既不能時(shí)間間隔太短，也不能太長(cháng)，因此，在設置搶占點(diǎn)的時(shí)候要測試內核中的運行路徑，在較長(cháng)的運行路徑中插入schedule() 。 進(jìn)行調度，這個(gè)地方就是搶占點(diǎn)。
另一種是搶占式內核的設計，即允許處于系統調用狀態(tài)的用戶(hù)進(jìn)程被剛剛喚醒的高優(yōu)先級進(jìn)程所搶占。 但是這種搶占方式并不是在內核代碼的所有地方都是安全的，如在臨界區就不能搶占。
結論
綜上所述，不經(jīng)改進(jìn)的Linux 操作系統是不適合做實(shí)時(shí)操作系統的，即便是軟實(shí)時(shí)，在系統負荷重的情況下也不能保證其實(shí)時(shí)性。 但通過(guò)對Linux 的改造可以完全提高Linux 的實(shí)時(shí)性，甚至可以滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)的要求。
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